探索LMX2487：1 - 6GHz高性能Delta - Sigma低功耗双PLLatinum™频率合成器

在当今的电子设计领域，频率合成器的性能至关重要，它直接影响着众多设备的功能和稳定性。今天，我们就来深入了解一下德州仪器推出的LMX2487频率合成器，这是一款工作在1GHz - 6GHz的高性能Delta - Sigma低功耗双PLLatinum™频率合成器，它具备诸多出色的特性。

文件下载：lmx2487.pdf

特性亮点

四重模数预分频器

LMX2487的RF PLL和IF PLL采用了四重模数预分频器。RF PLL提供16/17/20/21或32/33/36/37的选择，而IF PLL则有8/9或16/17的选择。这种设计使得分频更加灵活，能满足不同应用场景对频率的需求。比如在一些需要高精度频率控制的通信系统中，这样的分频方式可以提供更精准的频率输出。

先进的Delta - Sigma分数补偿

它支持12位或22位可选分数模数，并且拥有高达4阶的可编程Delta - Sigma调制器。这意味着它能够有效地将低频偏移处的分数杂散信号推到环路带宽之外的高频处，从而降低杂散信号对系统的干扰。在实际设计中，我们可以根据系统对相位噪声、杂散和锁定时间的具体要求，选择最佳的调制器阶数。

改进的锁定时间

LMX2487具备快速锁定和减少周期滑动的功能，通过单字写入即可改变频率，还集成了超时计数器。这大大提高了频率锁定的速度和稳定性，在需要快速切换频率的应用中，如跳频通信系统，能够显著提升系统的响应速度。

宽工作范围

RF PLL的工作范围为1.0 GHz - 6.0 GHz，同时还具备数字锁定检测输出、硬件和软件掉电控制、片上输入频率倍增器、高达50 MHz的RF相位比较检测器等实用特性。并且它能在2.5V - 3.6V的电压下工作，ICC仅为8.5 mA，功耗较低，适合对功耗有严格要求的应用。

应用领域

由于其出色的性能，LMX2487适用于多种领域。在蜂窝电话和基站中，它可以为通信系统提供稳定、精确的频率信号；在卫星和有线电视调谐器中，能够实现高精度的频率合成；此外，还能应用于WLAN标准设备以及直接数字调制应用中。

详细功能分析

功能模块

LMX2487集成了N计数器、R计数器和电荷泵，而TCXO、VCO和环路滤波器则需要外部提供。其功能框图展示了各个模块之间的连接关系，为我们理解其工作原理提供了清晰的框架。

各模块特性

• TCXO、振荡器缓冲器和R计数器：振荡器缓冲器需由单端信号源驱动，如TCXO。OSCout引脚可提供输入信号的缓冲输出，ENOSC引脚可确保OSCout引脚无论寄存器状态如何都能激活。R计数器将TCXO频率分频至比较频率。
• 相位检测器：IF PLL的最大相位检测器工作频率相对简单，而RF PLL由于是分数型，情况稍复杂。其最大相位检测器频率为50 MHz，但受N计数器的非法分频比和晶体参考频率的限制。在选择相位检测器频率时，需要权衡相位噪声和锁定时间等因素。
• 电荷泵：大部分时间，电荷泵输出为高阻抗，仅存在TRI - STATE泄漏电流。它能将相位检测器的相位误差转换为校正电流，IF PLL的电流不可编程，而RF PLL的电流可分16级编程，并且在锁定时可使用更高的电荷泵电流以缩短锁定时间。
• 环路滤波器：设计环路滤波器时需要考虑诸多因素，对于Delta - Sigma PLL，环路滤波器的阶数应比Delta - Sigma调制器的阶数高1。虽然理论上使用4阶调制器时需要5阶环路滤波器，但实际中通常使用4阶滤波器。目前有很多仿真工具和参考资料可供我们进行滤波器设计。
• N计数器和高频输入引脚：N计数器将VCO频率分频至比较频率，由于使用了预分频器，N值存在下限。高频输入引脚FinRF和FinIF的布局非常重要，建议VCO输出先通过电阻衰减器，再经过直流阻挡电容器，并且尽量靠近PLL放置。FinRF*引脚通常需要并联一个电容，如典型值为100 pF，以确保在PLL工作频率下阻抗接近交流短路。
• 数字锁定检测操作：RF PLL的数字锁定检测电路通过比较相位检测器输入相位与RC产生的延迟来判断锁定状态。当相位误差小于RC延迟5个连续参考周期时，判定为锁定；反之则为失锁。在比较频率较高时，可通过设置DIV4字来提高检测精度。
• 周期滑动减少和快速锁定
  • 周期滑动减少（CSR）：CSR通过在频率采集期间降低比较频率，同时保持环路带宽不变，来减少周期滑动的发生。在比较频率与环路带宽的比值较大时，CSR能显著提高锁定时间。
  • 快速锁定（Fastlock）：Fastlock通过在频率采集期间增加环路带宽来提高锁定速度。在比较频率较低时，Fastlock可能比CSR更有效，但它在解除锁定时会产生干扰，且干扰在比较频率较高时会更明显。
• 分数杂散和相位噪声控制：控制分数杂散需要综合考虑多个因素，首先要区分主分数杂散和子分数杂散。可通过设置FM和DITH位来控制杂散和相位噪声，同时调整分数字也能改善杂散情况。

编程与寄存器设置

编程信息

LMX2487的24位数据寄存器通过MICROWIRE接口加载，用于编程R计数器、N计数器和内部模式控制锁存器。编程时，建议最后编程N计数器，因为这会初始化数字锁定检测器和快速锁定电路。

寄存器映射

它的寄存器分为基本寄存器和高级寄存器，基本寄存器包含实现PLL锁定的关键信息，高级寄存器则用于优化杂散、相位噪声和锁定时间性能。不同的寄存器控制着不同的功能，如R0寄存器控制RF N计数器值和分数分子，R1寄存器控制RF PLL的分数分母、R分频器值、预分频器位和电源控制位等。

应用与设计建议

典型应用

文档中给出了LMX2487的典型应用电路，包括电源滤波电容、环路滤波器组件等。在设计过程中，需要根据具体的设计要求，如相位裕度、环路带宽、比较频率等，选择合适的参数。

电源与布局建议

电源方面，建议使用低噪声稳压器，并为每个电源引脚提供单独的旁路电容。布局时，高频输入引脚的走线应尽量短，同时要确保接地和电源平面与电源引脚过孔保持一定距离，以减少杂散能量的耦合。

总之，LMX2487是一款功能强大、性能出色的频率合成器，在电子设计领域有着广泛的应用前景。但在实际应用中，我们需要根据具体的需求，合理选择参数和进行设计，才能充分发挥其优势。大家在使用过程中有没有遇到过哪些特别的问题呢？欢迎在评论区交流讨论。