基于HMC830的低相噪低雜散頻率源的設(shè)計(jì)

潘玉劍，張曉發(fā)，袁乃昌

（國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073）

頻率源可在雷達(dá)中用作本振信號(hào)，進(jìn)行上下變頻，也可以作為數(shù)據(jù)處理的采樣時(shí)鐘等，在雷達(dá)和移動(dòng)通信領(lǐng)域有著重要的作用。相位噪聲和雜散是衡量頻率源的兩個(gè)重要指標(biāo)，大的相位噪聲會(huì)造成時(shí)域的抖動(dòng)，導(dǎo)致采樣數(shù)據(jù)的信噪比惡化，而大的雜散會(huì)影響混頻后信號(hào)的純度，降低接收機(jī)靈敏度[1]。所以必須使這兩者盡可能低。

頻率源的設(shè)計(jì)目前主要有3種技術(shù)：直接頻率合成、鎖相頻率合成、DDS（直接數(shù)字頻率合成），而鎖相頻率合成具有高性價(jià)比的特點(diǎn)。文中使用了鎖相頻率合成這一技術(shù)，借助于HMC830鎖相環(huán)芯片設(shè)計(jì)出了一種低相噪低雜散的頻率源。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該頻率源的設(shè)計(jì)取得了理想的效果。

1 HMC830的主要性能和工作原理

HMC830是Hittite公司于2011年4月份新推出的一款寬帶鎖相環(huán)芯片，其內(nèi)部集成了VCO，輸出頻率范圍為25 MHz～3 GHz。內(nèi)部鑒相器的鑒相頻率可達(dá)100 MHz，高的鑒相頻率一方面可以降低相噪，另一方面可以設(shè)計(jì)帶寬較寬的低通濾波器，從而抑制VCO噪聲和縮短鎖定時(shí)間。芯片典型的輸出功率為6 dBm，并且可以3 dB步進(jìn)調(diào)節(jié)。該芯片可工作于整數(shù)

分頻模式和小數(shù)分頻模式，其中小數(shù)模式下典型分辨率為3 Hz，并且在小數(shù)分頻模式下引入了精確頻率模式，使得某些符合特定條件的頻率可以精確獲得。這款鎖相環(huán)芯片有著業(yè)界領(lǐng)先的低相噪和低雜散，其典型相噪為－110 dBc/Hz。芯片尺寸為6×6 mm，并且在－40～+85℃都能保持良好的性能。

如圖1所示為HMC830的功能框圖，從圖中可以看出該芯片的各個(gè)功能模塊。

參考信號(hào)從XREFP管腳進(jìn)去到參考支路R分頻器、PFD鑒頻鑒相器、CP電荷泵，從CP管腳出去，通過(guò)外部低通濾波器，再?gòu)腣TUNE管腳進(jìn)去到VCO壓控振蕩器，通過(guò)N分頻器反饋到PFD鑒頻鑒相器形成鎖相環(huán)路。其中通過(guò)加到N分頻器上的Δ∑調(diào)制器以提供小數(shù)分頻的功能。VCO通過(guò)CAL模塊獲得校準(zhǔn)的能力，最后VCO通過(guò)一可變系數(shù)的分頻器將需要的頻率輸出，其中管腳RF_P和RF_N為差分輸出。

外部控制信號(hào)通過(guò)SCK、SDI和SEN管腳以SPI總線的形式寫(xiě)進(jìn)芯片內(nèi)部的寄存器。管腳LD_SDO為多功能管腳，可以輸出內(nèi)部寄存器的值，也可以配置為鎖定監(jiān)測(cè)輸出等信號(hào)，配置為鎖定監(jiān)測(cè)輸出時(shí)，高電平表示環(huán)路已經(jīng)鎖定，低電平表示環(huán)路未鎖定。CEN管腳為芯片使能，BIAS管腳需串聯(lián)一電容到地，為偏置電路退耦。剩余管腳為各種電源輸入以及空閑管腳。

圖1 HMC830功能框圖Fig.1 HMC830 functional diagram

該芯片輸出頻率為

其中，fref為參考信號(hào)頻率，R為參考支路分頻系數(shù)，Nint為反饋支路分頻系數(shù)的整數(shù)部分，Nfrac為反饋支路分頻系數(shù)的小數(shù)部分（當(dāng)工作在整數(shù)模式時(shí)該值為0），k為從VCO出來(lái)的分頻系數(shù)，根據(jù)芯片規(guī)定，只能為偶數(shù)。上述值均可以通過(guò)芯片內(nèi)部寄存器控制。

2 頻率源的實(shí)現(xiàn)

頻率源的實(shí)現(xiàn)主要包括硬件電路的實(shí)現(xiàn)和軟件的調(diào)試，即寄存器的操作。

2.1 供電設(shè)計(jì)

由圖1可以看出，該芯片有多達(dá)10個(gè)電源管腳，為了使輸出的相噪和雜散盡可能小，供電部分需認(rèn)真考慮。首先VCO的5 V供電不能受干擾影響，不然會(huì)增加噪聲，故單獨(dú)供電。數(shù)字供電和模擬供電要分開(kāi)，故將5 V模擬VPPCP和5 V數(shù)字VDDLS分開(kāi)供電。3.3 V的數(shù)字DVDD3V和單片機(jī)的3.3 V使用一個(gè)電源，剩余的3.3 V使用一個(gè)電源。故需共使用5塊穩(wěn)壓芯片。穩(wěn)壓芯片采用NS公司的低噪聲LP3878和LP5900穩(wěn)壓芯片，LP3878輸出5 V，LP5900輸出3.3 V。

2.2 低通濾波器設(shè)計(jì)

HMC830由于內(nèi)部集成了VCO，故使用很簡(jiǎn)單，只需設(shè)計(jì)1個(gè)外部濾波器就可以工作。低通濾波器在環(huán)路中處于鑒相器和VCO之間，可以濾除來(lái)自晶振的噪聲，鑒相器本身的輸出噪聲和載頻分量，以及減少鑒相頻率的泄露，還可以濾除來(lái)自VCO的噪聲，但最重要的是建立起環(huán)路的動(dòng)態(tài)特性。

濾波器設(shè)計(jì)時(shí)其帶寬需要折中考慮，帶寬小了，VCO噪聲影響大，而且環(huán)路鎖定時(shí)間延長(zhǎng)；帶寬大了，晶振和鑒相器噪聲影響大。本設(shè)計(jì)借助于Hittite PLL Design設(shè)計(jì)濾波器。該軟件是Hittite公司推出的鎖相環(huán)輔助設(shè)計(jì)軟件，可以仿真鎖相環(huán)的相噪特性、鎖定時(shí)間等。通過(guò)仿真比較，在鑒相頻率為100 MHz，輸出頻率為1.8 GHz時(shí)，設(shè)定濾波器為無(wú)源四階低通濾波器，3 dB帶寬為100 kHz，相位裕度為80度。濾波器電路圖如圖2所示，電路兩端分別接CP管腳和VTUNE管腳。

圖2 低通濾波器電路圖Fig.2 Low pass filter circuit

2.3 整體硬件電路設(shè)計(jì)

HMC830為差分輸出，現(xiàn)在只需要單端輸出。雖然可以通過(guò)寄存器設(shè)置為單端輸出，但考慮到最大功率輸出，故采用差分到單端的轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器采用的是M/A-COM公司的ETC1-1-13。進(jìn)行寄存器讀寫(xiě)采用的是SiLabs公司的C8051F300，該單片機(jī)體積小，利于小型化。另外HMC830外圍電路可以參照Hittite給出的評(píng)估版電路圖進(jìn)行設(shè)計(jì)。如圖3所示，為設(shè)計(jì)完成的頻率源的實(shí)體電路。

圖3 頻率源實(shí)物圖Fig.3 Actual photo of frequency source

2.4 軟件編程

HMC830擁有17個(gè)PLL寄存器和7個(gè)VCO Subsystem寄存器[4]。PLL寄存器為Reg00h到Reg0Ah到Reg13h，其中包括分多個(gè)頻系數(shù)寄存器、電荷泵寄存器、鎖定監(jiān)測(cè)寄存器等。VCOSubsystem寄存器為VCO_Reg00h到VCO_Reg06h，包括VCO分頻系數(shù)設(shè)定、輸出功率設(shè)定和信號(hào)輸出設(shè)定等。對(duì)VCO Subsystem寄存器的操作是通過(guò)寫(xiě)PLL寄存器Reg05實(shí)現(xiàn)的。

對(duì)寄存器操作的一般順序和說(shuō)明如下：

1）寫(xiě)Reg02h寄存器，參考支路分頻系數(shù)設(shè)定；

2）寫(xiě)Reg06h寄存器，該寄存器設(shè)置芯片工作于整數(shù)模式或小數(shù)模式；

3）寫(xiě)Reg07h寄存器，設(shè)置鎖定監(jiān)測(cè)的時(shí)間窗口。時(shí)間窗口設(shè)置過(guò)小會(huì)造成無(wú)法監(jiān)測(cè)是否鎖定；

4）寫(xiě)Reg09h寄存器，設(shè)置電荷泵電流和電荷泵偏移電流。小數(shù)模式下需設(shè)置電荷泵偏移電流，整數(shù)模式不需要。一般電荷泵電流越大，相噪越??；

5）寫(xiě)Reg0Ah，VCO自動(dòng)校準(zhǔn)設(shè)置，如設(shè)置為手動(dòng)校準(zhǔn)，可以實(shí)現(xiàn)捷變頻；

6）寫(xiě)Reg0Bh，可以設(shè)置為防止鎖相環(huán)跳周或滑變；

8）寫(xiě)Reg0Fh，LD_SDO管腳功能定義，一般配置為鎖定監(jiān)測(cè)輸出；

9）寫(xiě)Reg05h，通過(guò)寫(xiě)該寄存器，間接寫(xiě)到VCO Subsystem的7個(gè)寄存器中，VCO_Reg00h最后寫(xiě)，以便芯片能正確對(duì)VCO自動(dòng)校準(zhǔn)；

10）寫(xiě)Reg03h和Reg04h，設(shè)定N分頻器分頻系數(shù)；

11）寫(xiě)Reg0Ch，在小數(shù)模式下可將某些頻率精確輸出。

數(shù)據(jù)寫(xiě)入采用的是SPI總線的形式，時(shí)序如圖4所示。

圖4 HMC830 SPI寫(xiě)時(shí)序圖Fig.4 HMC830 SPI timing diagram of write

SCK為來(lái)自單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)，SCK第一個(gè)上升沿，SDI為高電平即開(kāi)始寫(xiě)，SEN為寫(xiě)使能。SDI先輸入6位寄存器地址信號(hào)，再輸入24位數(shù)據(jù)，該24位數(shù)據(jù)就是對(duì)應(yīng)地址寄存器的值，在每一個(gè)時(shí)鐘上升沿?cái)?shù)據(jù)被送入芯片，高位先進(jìn)。

軟件編程采用的是Silicon Laboratories IDE編程環(huán)境，C語(yǔ)言編寫(xiě)，最后下載到單片機(jī)執(zhí)行。

3 測(cè)試結(jié)果及分析

測(cè)試時(shí)，鑒相頻率設(shè)置為100 MHz，輸出頻率為1.8 GHz，為了獲取盡可能小的相噪，芯片工作在整數(shù)模式下。參考頻率由晶振提供。晶振采用的是Pascall公司的OCXO-3-100.0-1-0-0晶振，該晶振在偏移1 kHz處相噪為-158 dBc，典型輸出功率為13 dBm，性能很好。

測(cè)試儀器為R&S公司的FSP-40頻譜分析儀。測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 測(cè)試結(jié)果Fig.5 Test result

圖5（a）顯示偏離載波1 kHz時(shí)相噪為-112.2 dBc/Hz；（b）中span為20 kHz顯示在偏離10 kHz的相噪和偏離1 kHz時(shí)相比，幾乎沒(méi)有變化；（c）顯示在偏離載波4.5 MHz處有雜散，雜散抑制度為-81 dBc；（d）中頻譜儀span為250 MHz，在偏離載波100 MHz處有雜散，雜散抑制度為-75.6 dBc。這里的雜散是由于鑒相頻率的泄露造成的。

4 結(jié) 論

筆者介紹了利用Hittite公司新推出的HMC830鎖相環(huán)芯片設(shè)計(jì)低相噪低雜散的頻率源的方法，使用該方法獲得了良好的性能。這款芯片集成了VCO，具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，帶寬大，性能優(yōu)異的特點(diǎn)。其低相噪低雜散的優(yōu)點(diǎn)能夠很好地滿足雷達(dá)和無(wú)線通信系統(tǒng)的要求，可替代市場(chǎng)同類產(chǎn)品。

[1]Analog Devices.鎖相環(huán)常見(jiàn)問(wèn)題解答 [EB/OL].（2011）[2011-08-19].http://www.analog.com/static/imported-files/zh/faqs/faq_PLL.pdf.

[2]Hittite Microwave Corporation.HMC830LP6GE Datasheet[EB/OL].（2011）[2011-08-19].http://www.hittite.com/content/documents/data_sheet/hmc830lp6g.pdf.

[3]Gardner， Floyd M..鎖相環(huán)技術(shù)[M].姚劍清，譯.北京：人民郵電出版社，2007.

[4]Hittite Microwave Corporation.HMC830LP6GE Eval.PCBSchematic[EB/OL].（2011）[2011-08-19].http://www.hittite.com/content/documents/eval_pcb_schematic/hmc830lp6g_eval_pcb_schematic.pdf.

[5]HittiteMicrowave Corporation. PLLs with Integrated VCORF_applications Production&Operating Guide[EB/OL].（2011）[2011-08-19].http://www.hittite.com/content/documents/operating_guide/pll_operating_guide_rf_vcos.pdf.

[6]Pascall Electronics.Ultra Low Noise VHF Crystal Oscillators[EB/OL].（2011）[2011-08-19].http://www.pascall.co.uk/pdfs/OCXOF%200710.pdf.