LMX243x PLLatinum™ 双高频合成器：设计与应用全解析

在射频个人通信领域，频率合成器起着至关重要的作用。今天我们要深入探讨的是德州仪器（TI）的 LMX243x 系列产品，包括 LMX2430、LMX2433 和 LMX2434 这三款高性能频率合成器。

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一、产品简介

LMX243x 采用专有数字锁相环技术，能为射频（RF）和中频（IF）压控振荡器（VCO）生成非常稳定、低噪声的控制信号，可广泛应用于移动手机、无绳电话、无线数据和有线电视调谐器等领域。

（一）产品特性

• 低电流消耗：不同型号在 RF/IF 模式下电流消耗各有不同。如 LMX2430 为 2.8 mA/ 1.4 mA，LMX2433 为 3.2 mA/ 2 mA，LMX2434 为 4.6 mA/ 2.4 mA，这种低功耗特性使其非常适合对功耗敏感的应用场景。
• 宽电压工作范围：可在 2.25-V 至 2.75-V 的电压下稳定运行，增加了产品在不同电源环境下的适用性。
• 灵活的电源管理：具备同步/异步掉电功能，方便工程师根据实际需求灵活管理设备的电源状态。
• 多PLL选项：不同型号提供不同的 RF/IF 频率范围，如 LMX2430 为 3 GHz /0.8 GHz，LMX2433 为 3.6 GHz /1.7 GHz，LMX2434 为 5 GHz /2.5 GHz，能够满足多样化的频率需求。
• 可编程电荷泵电流：RF 和 IF 的电荷泵电流水平可在 1 mA 或 4 mA 之间进行编程设置，以适应不同的设计要求。
• 快速锁定功能：集成了超时计数器，能实现快速锁定，提高了系统的响应速度。
• 数字滤波锁定检测输出：提供准确的锁定状态检测，便于工程师实时掌握系统的工作状态。
• 模拟锁定检测：具有推挽/开漏两种输出方式，可根据实际电路设计进行选择。
• 1.8-V MICROWIRE 逻辑接口：方便与其他低电压逻辑设备直接连接。

（二）封装信息

LMX243x 提供两种封装形式，分别是 20 引脚的 ULGA（尺寸为 3.50 mm × 3.50 mm）和 20 引脚的 TSSOP（尺寸为 6.50 mm × 4.40 mm），工程师可以根据实际的 PCB 空间和组装需求进行选择。

二、规格参数

（一）绝对最大额定值

• 电源电压：任何引脚到地（GND）的电压范围为 -0.3 V 至 3.25 V，超出此范围可能会对设备造成永久性损坏。
• 引脚温度：焊接 4 秒时引脚温度最大为 260 °C。
• 存储温度：存储温度范围为 -65 °C 至 150 °C。

（二）推荐工作条件

• 电源电压：推荐的电源电压范围为 2.25 V 至 2.75 V。
• 工作温度：工作温度范围为 -40 °C 至 85 °C。

（三）热信息

不同封装形式的热阻有所不同。例如，对于 ULGA 封装，结到环境的热阻为 80.9 °C/W，而 TSSOP 封装的结到环境热阻为 111.5 °C/W。在设计时，工程师需要考虑这些热信息，以确保设备在正常工作温度范围内稳定运行。

（四）电气特性

• 电源电流：不同型号在 RF 和 IF 合成器的电源电流上有差异。如 LMX2430 的 RF 合成器电源电流典型值为 2.8 mA，IF 合成器为 1.4 mA。
• 工作频率：各型号的 RF 和 IF 工作频率范围不同。例如，LMX2434 的 RF 工作频率在 RF_P 位为 0 或 1 时可达 1000 - 5000 MHz。
• 其他参数：还包括 N 分频器范围、R 分频器范围、相位检测器频率、输入灵敏度、电荷泵输出电流等多项电气参数，这些参数对于设计和调试电路至关重要。

（五）时序要求

在使用 MICROWIRE 接口时，需要满足特定的时序要求。例如，DATA 到 CLK 的建立时间最小为 50 ns，DATA 到 CLK 的保持时间最小为 10 ns 等。工程师在设计电路和编写控制程序时必须确保满足这些时序要求，以保证数据的正确传输和设备的正常工作。

三、详细功能描述

（一）基本工作原理

LMX243x 组成的基本锁相环（PLL）配置包括一个高稳定性的晶体参考振荡器、频率合成器（LMX243x）、压控振荡器（VCO）和一个无源环路滤波器。频率合成器内部包含相位检测器、电流模式电荷泵、可编程参考 R 和反馈 N 分频器。

其工作过程为：晶体参考信号通过参考分频器分频得到比较参考频率 (f{r})，该信号与通过反馈分频器对 VCO 频率分频得到的反馈信号 (f{p}) 一起输入到相位/频率检测器（PFD）。PFD 检测两者的相位误差，并输出与相位误差成正比的控制信号。电荷泵根据相位误差的大小和方向将电荷泵入或泵出环路滤波器，环路滤波器将电荷转换为稳定的控制电压施加到 VCO 上，使反馈信号的频率和相位与参考信号匹配，最终 VCO 的频率为比较频率的 N 倍（N 为反馈分频比）。

（二）各功能模块

1. 参考振荡器输入：RF 和 IF PLL 的参考振荡器频率通过 OSCin 引脚从外部参考源提供。参考缓冲电路支持 5 至 40 MHz 的输入频率，最小输入灵敏度为 0.5 VPP，输入阈值约为 Vcc/2，可由外部交流耦合源驱动。通常，该引脚连接到晶体振荡器的输出。
2. 参考分频器（R 计数器）：将参考输入信号（OSCin）除以 R 因子，其输出作为相位检测器的参考输入，即比较频率。RF 和 IF 参考分频器均由 15 位 CMOS 二进制计数器组成，支持 3 至 32,767 的连续整数分频比，且需确保最大相位比较频率不超过 10 MHz。
3. 预分频器：FinRF 和 FinIF 输入引脚驱动差分对放大器，其输出驱动双模数配置的 D 型触发器链，预分频器的输出用于时钟后续的反馈分频器。不同型号的 RF 合成器可选择不同的预分频比，如 LMX2434 RF 合成器可选择 16/17 或 32/33，LMX2430 和 LMX2433 RF 合成器可选择 8/9 或 16/17，IF 合成器可选择 8/9 或 16/17。RF PLL 互补输入可以采用差分驱动，也可通过外部电容将负输入交流接地实现单端配置。
4. 可编程反馈分频器（N 计数器）：与预分频器协同工作，将输入信号（Fin）除以 N 因子，其输出作为相位检测器电路的反馈输入。该电路由 A 计数器（吞咽计数器）和 B 计数器（可编程二进制计数器）组成。不同型号的 A 计数器和 B 计数器位数不同，如 LMX2430 和 LMX2433 的 RF_A 计数器为 4 位，RF_B 计数器为 15 位；LMX2434 的 RF_A 计数器为 5 位，RF_B 计数器为 14 位。为实现连续整数分频比，需满足 (N ≥P times(P-1))（P 为所选预分频器的值），且二进制可编程计数器值应大于吞咽计数器值（(B ≥A)）。
5. 相位/频率检测器（PFD）：RF 和 IF PFD 由各自的 N 和 R 计数器输出驱动，最大输入频率为 10 MHz，其输出控制相应的电荷泵。通过 RF_CPP 或 IF_CPP 控制位可根据 RF 或 IF VCO 的正负调谐特性来编程泵浦上升或下降控制信号的极性，PFD 的检测范围为 -2π 至 +2π，并通过接收电荷泵的反馈信号来消除死区。
6. 电荷泵：将电荷泵入或泵出外部环路滤波器，环路滤波器将电荷转换为稳定的控制电压施加到 VCO 的调谐输入上。在泵浦上升事件中，电荷泵使 VCO 控制电压向 (V_{CC}) 方向移动；在泵浦下降事件中，使控制电压向 GND 方向移动。锁定时，CPoutRF 或 CPoutIF 主要处于三态模式，仅在相位比较速率时进行小的调整。通过切换 RF_CPG 或 IF_CPG 控制位可选择电荷泵输出电流的大小。
7. Microwire 串行接口：通过该接口访问可编程寄存器组，采用低电压逻辑接口，可直接连接 1.8-V 设备。该接口由 CLK、DATA 和 LE 三个信号引脚组成，串行数据在 CLK 的上升沿被时钟输入到 24 位移位寄存器，最后两位解码内部控制寄存器地址。当 LE 变为高电平时，移位寄存器中的 DATA 根据地址位状态加载到四个控制寄存器之一，且 DATA 的最高有效位（MSB）先被加载。即使在掉电模式下，也可以对合成器进行编程。
8. 多功能输出（Ftest/LD）：该引脚是一个多功能输出引脚，可以配置为通用 CMOS 三态输出、推挽模拟锁定检测输出、开漏模拟锁定检测输出、数字滤波锁定检测输出，或用于监视各种参考分频器（R 计数器）或反馈分频器（N 计数器）电路的输出。通过 Ftest/LD 控制字可选择所需的输出功能，当 PLL 处于掉电模式时，该输出被禁用并处于高阻抗状态。
   • 推挽模拟锁定检测输出：如果选择该功能，相位检测器生成的模拟锁定检测状态可在 Ftest/LD 输出引脚上获得。采用推挽配置时，当电荷泵不工作时，锁定检测输出为高电平；在比较周期中电荷泵工作时，输出为低电平。有三个独立的推挽模拟锁定检测信号路由到多路复用器，分别用于监视单个合成器的锁定状态以及检测 RF 和 IF 合成器均处于锁定状态的情况，但需要外部电路提供稳定的直流信号来指示 PLL 是否处于锁定状态。
   • 开漏模拟锁定检测输出：该配置下，当电荷泵不工作时，锁定检测输出处于高阻抗状态；在比较周期中电荷泵工作时，输出为低电平。使用上拉电阻时，电荷泵开启时可观察到窄的低电平脉冲。同样有三个独立的开漏模拟锁定检测信号路由到多路复用器，也需要外部电路提供稳定的直流信号来指示锁定状态。
   • 数字滤波锁定检测输出：如果选择该功能，相位检测器生成的数字滤波锁定检测状态可在 Ftest/LD 输出引脚上获得。该锁定检测数字滤波器将 PFD 输入的相位差与约 15 ns 的 RC 延迟进行比较，若连续 5 个参考周期内相位误差小于 15 ns 的 RC 延迟，PLL 进入锁定状态（高电平）；进入锁定状态后，RC 延迟变为约 30 ns，当相位误差大于 30 ns 的 RC 延迟时，PLL 失锁（低电平）。当 PLL 处于掉电模式时，Ftest/LD 输出被强制为低电平。且有三个独立的数字滤波锁定检测信号路由到多路复用器，选择该选项时无需外部电路。
   • 参考分频器和反馈分频器输出：通过选择合适的 Ftest/LD 字，可以监视各种 N 和 R 分频器的输出，这在进行 OSCin 或 Fin 灵敏度测量时非常重要。需要注意的是，路由到 Ftest/LD 的 R 和 N 输出分别是 R/2 和 N/2，内部的 /2 电路用于提供 50% 的占空比。
9. 快速锁定输出：LMX243x 的快速锁定功能可在锁定获取过程中实现更快的环路响应时间。如果将环路带宽加倍，锁定时间大约可以减半。当 FLoutRF 或 OSCout/ FLoutIF 引脚配置为快速锁定输出时，会启用一个开漏器件，该器件将一个与外部环路滤波器 R2 阻值相等的电阻并联接入电路，从而有效加倍环路带宽并保持稳定性。一旦锁定到正确频率，PLL 将恢复到稳态。该功能提供手动和自动两种实现方式：手动快速锁定通过将稳态模式下 1 mA 的电荷泵电流（RF_CPG/ IF_CPG 位 = 0）增加到快速锁定模式下的 4 mA（RF_CPG/ IF_CPG 位 = 1）来实现；自动快速锁定通过对超时计数器寄存器（RF_TOC/ IF_TOC）编程，设置 RF/ IF 合成器在快速锁定状态下的相位比较周期数来实现。
10. 计数器复位：当 RF_RST/ IF_RST 位启用时，反馈分频器（RF_N/ IF_N）和参考分频器（RF_R/ IF_R）将保持在加载点。当设备编程为正常操作时，两个分频器将被启用并恢复计数，且彼此紧密对齐，最大误差为一个预分频器周期。

四、应用与实现

（一）应用信息

LMX2430 系列器件适用于广泛的应用领域。由于其低电流消耗特性，非常适合许多低功率应用场景。而且该系列器件拥有两个 PLL，可以生成两个不同的频率。当然，也可以只使用其中一个 PLL，同时将另一个 PLL 掉电，但需要注意不要断开未使用侧的电源引脚，因为它们在多个内部模块之间是共享的。当未使用侧掉电时，它不消耗电流，计数器和电荷泵也不会运行或产生噪声和杂散。

（二）典型应用

给出了一个典型的应用电路示例，其设计参数包括电荷泵增益、VCO 输入电容、相位检测器频率、OSCin 频率、环路带宽、相位裕度等。在设计环路滤波器时，这是整个应用的关键环节，需要在锁定时间、相位噪声和杂散之间进行权衡。TI 网站提供了相关的参考资料、设计和仿真工具，可帮助工程师设计环路滤波器并模拟其性能。同时，文档中还给出了相位噪声和相位检测器杂散的应用曲线示例，这些曲线可以帮助工程师直观地了解系统的性能表现。

五、电源与布局建议

（一）电源供应

建议使用低噪声稳压器为电源引脚供电。虽然可以使用一个稳压器为整个器件供电，但为了获得最佳的杂散性能，最好按照布局指南中的建议进行单独旁路。电荷泵引脚通常对电源噪声最为敏感，而与该器件一起使用的外部 VCO 可能对电源噪声更为敏感，因此在电源设计时需要格外注意。

（二）布局设计

• 作为单 PLL 使用：所有电源引脚都必须连接，但对于未使用的 PLL 部分，无需进行旁路处理，可以将它们短接在一起。未使用的输出引脚应保持未连接状态，不要接地。
• 作为双 PLL 使用：电源耦合更为关键，因为两个 PLL 之间可能存在串扰。在电荷泵电源引脚之间需要使用电阻或电感进行隔离，并且去耦电容的作用更加重要。

六、总结

LMX243x 系列频率合成器凭借其丰富的特性和高性能的参数，在射频个人通信领域具有很强的竞争力。从低功耗、宽电压工作范围到灵活的电源管理和快速锁定功能，都为工程师在设计电路时提供了极大的便利。然而，在实际应用中，工程师需要根据具体的需求仔细选择合适的型号、合理设计电源和布局，以充分发挥该系列产品的优势，确保系统的稳定性和性能。你在使用 LMX243x 系列产品时遇到过哪些挑战呢？又是如何解决的？欢迎在评论区分享你的经验。