一種通用寬帶鎖相頻率源的設(shè)計(jì)

張 杰，代傳堂，崇毓華

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥 230088)

一種通用寬帶鎖相頻率源的設(shè)計(jì)

張 杰，代傳堂，崇毓華

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥 230088)

設(shè)計(jì)了一種基于HMC833LP6GE的通用寬帶鎖相頻率源，在25～6 000 MHz頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)頻率、功率可調(diào)。該鎖相環(huán)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，集成度高，功耗低，成本低，可滿足多方面的需求。測(cè)試數(shù)據(jù)表明該鎖相環(huán)具有優(yōu)秀的雜散抑制和相噪性能。

鎖相環(huán)；HMC833；寬帶；單片機(jī)

0 引 言

頻率源是雷達(dá)、通信、信息對(duì)抗和儀器儀表等電子系統(tǒng)的核心，其好壞直接影響了系統(tǒng)性能。[1]隨著電子技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)等電子設(shè)備對(duì)頻率源的要求越來(lái)越高，引導(dǎo)著頻率源向?qū)掝l帶、小體積、低相噪、低雜散的方向發(fā)展。本文介紹一種基于HMC833LP6GE的通用寬帶鎖相環(huán)。該鎖相環(huán)輸出頻率范圍為25～6 000 MHz，具有寬頻帶、小體積、低相噪和低雜散的特點(diǎn)。

1 鎖相環(huán)設(shè)計(jì)

1.1 HMC833介紹

HMC833LP6GE是由Hittite公司開發(fā)的一款低噪聲、寬頻帶的小數(shù)分頻鎖相環(huán)芯片[2]，鑒相頻率可達(dá)100 MHz，其內(nèi)部集成壓控振蕩器(VCO)，VCO輸出頻率范圍為1 500～3 000 MHz，利用片內(nèi)集成的分頻器和倍頻器，輸出頻率可擴(kuò)展到25～6 000 MHz，具有極好的寬帶性能。該芯片有著業(yè)界領(lǐng)先的相噪性能，帶內(nèi)典型相噪為-110 dBc/Hz，最大輸出功率為3 dBm，并有9 dB的程控調(diào)節(jié)范圍(3 dB步進(jìn))。

圖1所示為HMC833LP6GE的功能框圖。從圖中可以看到該芯片的各個(gè)功能模塊。參考信號(hào)由管腳XREFP輸入芯片，經(jīng)過(guò)R分頻器，然后送到鑒頻鑒相器(PFD)與來(lái)自VCO的反饋信號(hào)進(jìn)行鑒相。鑒相器的輸出經(jīng)過(guò)電荷泵后由管腳CP輸出至外部的環(huán)路濾波器，環(huán)路濾波器的輸出再由管腳VTUNE輸入來(lái)控制VCO。VCO的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)N分頻器反饋到鑒頻鑒相器形成鎖相環(huán)路。

外部控制信號(hào)通過(guò)SCK、SDI和SEN管腳以SPI總線的形式寫進(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)。當(dāng)配置為鎖定監(jiān)測(cè)輸出時(shí)，高電平表示環(huán)路鎖定，低電平表示環(huán)路失鎖。鎖相環(huán)的輸出頻率可表示為

圖1 HMC833功能框圖

(1)

fout=fVCO/K

(2)

其中，fout為鎖相環(huán)的輸出頻率；fVCO為壓控振蕩器的輸出頻率；Nint為整數(shù)部分的分頻比；Nfrac為小數(shù)部分的分頻比；R為輸入?yún)⒖夹盘?hào)的分頻比；K是由位于VCO輸出端的分頻器和倍頻器共同決定的一個(gè)系數(shù)，其作用在于擴(kuò)展鎖相環(huán)輸出頻率范圍。

根據(jù)鎖相環(huán)相位噪聲理論[3]，環(huán)路帶寬內(nèi)的相位噪聲可由以下公式計(jì)算得出：

PNtotal=PNsysth+10logFpfd+20logN

(3)

其中，PNtotal為鎖相環(huán)的帶內(nèi)相位噪聲，PNsysth為鎖相環(huán)的歸一化相位噪聲基底，F(xiàn)pfd為鑒相頻率，N為VCO反饋信號(hào)的分頻比。對(duì)于小數(shù)分頻的鎖相環(huán)，分頻比N等于整數(shù)部分分頻比Nint與小數(shù)部分分頻比Nfrac的和。以100 MHz晶振的輸出信號(hào)為參考，分頻比R設(shè)置為1，分頻比N設(shè)置為30，系數(shù)K設(shè)置為1，此時(shí)鎖相環(huán)輸出3 GHz，帶內(nèi)相位噪聲計(jì)算約為-117 dBc/Hz。

1.2 整體設(shè)計(jì)

在現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)中，有時(shí)需要的本振源數(shù)量較多，有時(shí)需要本振源具有自主跳頻功能，有時(shí)需要本振源根據(jù)外部輸入控制碼進(jìn)行跳頻，造成的結(jié)果就是很多個(gè)本振源核心模塊差別不是很大，但必須根據(jù)個(gè)體需求重新設(shè)計(jì)局部電路，加大了設(shè)計(jì)工作量。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，本文對(duì)基于HMC833LP6GE的鎖相環(huán)進(jìn)行了一些通用性的設(shè)計(jì)，讓一個(gè)模塊兼顧多方面的需求。

通用鎖相模塊的整體框圖如圖2所示。除HMC833LP6GE芯片外，模塊主要包括單片機(jī)、環(huán)路濾波器和放大濾波鏈路。單片機(jī)主要用于對(duì)鎖相環(huán)芯片內(nèi)部的寄存器進(jìn)行配置，設(shè)置N分頻比、R分頻比、電荷泵電流等參數(shù)。環(huán)路濾波器對(duì)鑒頻鑒相誤差脈沖信號(hào)進(jìn)行低通濾波處理，濾除高頻分量輸出直流信號(hào)，即為VCO的調(diào)諧電壓。該調(diào)諧電壓決定了VCO輸出的信號(hào)頻率。放大濾波鏈路對(duì)鎖相環(huán)輸出的信號(hào)進(jìn)行放大，并對(duì)不需要的高頻諧波信號(hào)進(jìn)行一定程度的抑制，滿足輸出信號(hào)的功率電平需要。

圖2 通用鎖相模塊整體框圖

1.3 單片機(jī)設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，鎖相環(huán)芯片內(nèi)部寄存器的配置是由單片機(jī)完成的。單片機(jī)選用的是Microchip公司生產(chǎn)的PIC16F684ST。該單片機(jī)為14引腳，數(shù)據(jù)位寬為8位，具有2 KB的程序存儲(chǔ)器和128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。模塊中預(yù)設(shè)了3個(gè)I/O端口(EN，CLK，DATA)，只需進(jìn)行適當(dāng)?shù)某绦蚓帉懢涂蓪?duì)輸入的頻率碼進(jìn)行譯碼，然后通過(guò)SPI總線對(duì)鎖相環(huán)芯片內(nèi)部的寄存器進(jìn)行配置，達(dá)到跳頻的目的。不需要跳頻時(shí)，亦可以適當(dāng)?shù)鼐帉懗绦騺?lái)控制鎖相環(huán)輸出穩(wěn)定的信號(hào)?？傮w來(lái)說(shuō)，面對(duì)不同的需求，都可以通過(guò)編寫程序來(lái)靈活地控制鎖相環(huán)，通過(guò)兩個(gè)管腳就可方便地實(shí)現(xiàn)在線串行編程。

1.4 環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)

由于HMC833LP6GE內(nèi)部集成了VCO，因此只需設(shè)計(jì)一個(gè)外部的環(huán)路濾波器就可正常工作。環(huán)路濾波器其實(shí)是一個(gè)低通濾波器。[4]它決定了鎖相環(huán)輸出信號(hào)的雜散抑制、相位噪聲、鎖定時(shí)間和穩(wěn)定性等指標(biāo)，因此設(shè)計(jì)時(shí)需綜合考慮各項(xiàng)指標(biāo)的要求。

環(huán)路濾波器分為無(wú)源濾波器和有源濾波器。無(wú)源濾波器受鎖相環(huán)芯片電荷泵供電電壓所限，輸出的VCO調(diào)諧電壓不高于電荷泵供電電壓，因而無(wú)源濾波器適合VCO調(diào)諧電壓較低的應(yīng)用。[5]在VCO的調(diào)諧電壓較高時(shí)，需使用有源濾波器。在對(duì)輸入的鑒相誤差信號(hào)進(jìn)行濾波的同時(shí)，有源濾波器還能提供一定的增益，將調(diào)諧電壓調(diào)整到合適的使用范圍。有源濾波器通常需要使用運(yùn)算放大器。運(yùn)放會(huì)引入一定的外部噪聲，從而對(duì)信號(hào)的相位噪聲造成不利影響。相比之下無(wú)源濾波器全部由無(wú)源器件組成，不會(huì)影響信號(hào)的相噪。在本設(shè)計(jì)中，電荷泵和VCO的供電電壓均為5 V。為了不影響相噪，利用ADS2008軟件設(shè)計(jì)了一種四階無(wú)源濾波器，如圖3所示。

圖3 環(huán)路濾波器

1.5 放大濾波設(shè)計(jì)

HMC833LP6GE鎖相環(huán)的輸出信號(hào)功率一般不超過(guò)5 dBm，往往達(dá)不到作為本振時(shí)的功率需求，因此需要對(duì)輸出的信號(hào)進(jìn)行放大。在本設(shè)計(jì)中，放大器選擇的是Sirenza Microdevices公司生產(chǎn)的SBW-5089。這是一款寬帶中等功率輸出的放大器，工作頻率范圍為DC～8 GHz，在6 GHz工作頻率處仍然有15 dB的增益，如圖4所示。該放大器在6 GHz頻率處的-1 dB壓縮點(diǎn)功率值約為12 dBm。這就可以保證在鎖相環(huán)的整個(gè)輸出頻率范圍內(nèi)信號(hào)功率可以滿足中等功率本振的要求。放大器的輸入端設(shè)置了衰減網(wǎng)絡(luò)，再加上片內(nèi)的9 dB衰減范圍，可靈活地調(diào)整輸出信號(hào)功率。在放大器的輸出端還使用了一個(gè)Mini公司生產(chǎn)的LFCN系列低通濾波器，以濾除不需要的高次諧波。

圖4 放大器SBW-5089增益曲線

2 測(cè)試結(jié)果

寬帶鎖相頻率源的實(shí)物圖如圖5所示。根據(jù)前文的設(shè)計(jì)，利用中電四十一所生產(chǎn)的帶相噪測(cè)試功能的頻譜儀(AV4036E)對(duì)通用鎖相環(huán)模塊進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試。圖6顯示的是輸出頻率為2.8 GHz時(shí)的頻譜圖，易見該頻點(diǎn)的雜散抑制指標(biāo)優(yōu)于60 dBc。圖7和圖8分別顯示的是輸出頻率為2.8 GHz時(shí)的相噪仿真圖和相噪實(shí)測(cè)圖，在1 kHz頻偏處的實(shí)測(cè)相位噪聲約為-106 dBc/Hz，與仿真值-108 dBc/Hz相比惡化了2 dB，符合預(yù)期。

圖5 鎖相頻率源實(shí)物圖

圖6 2.8 GHz輸出頻譜圖

圖7 2.8 GHz輸出相噪仿真圖

圖8 2.8 GHz輸出相噪實(shí)測(cè)曲線

3 結(jié)束語(yǔ)

本文采用內(nèi)部集成VCO的鎖相環(huán)芯片，設(shè)計(jì)了一種通用寬帶鎖相頻率源。該鎖相環(huán)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，集成度高，功耗低，成本低，可滿足多方面的需求。測(cè)試數(shù)據(jù)表明該鎖相環(huán)具有優(yōu)秀的雜散抑制和相噪性能。

[1] Vadim Manassewisch. 頻率合成原理與設(shè)計(jì)[M]. 何松柏, 宋亞梅, 鮑景富, 等譯. 3版. 北京：電子工業(yè)出版社, 2008.

[2] Hittite Microwave Corporation. HMC833LP6GE Da-tasheet.V01.1012.

[3] Dean Banerjee. PLL Performance, Simulation and Design[M]. Santa Clara City: National Semiconductor, 2003.

[4] 遠(yuǎn)坂俊昭. 鎖相環(huán)(PLL)電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M]. 何希才譯. 北京：科學(xué)出版社，2005.

[5] 代傳堂，柴文乾. 基于小數(shù)分頻鎖相的X波段頻率合成器設(shè)計(jì)[J]. 雷達(dá)與對(duì)抗，2012，32(4):52-55.

Design of a universal wideband PLL frequency source

ZHANG Jie, DAI Chuan-tang, CHONG Yu-hua

(No. 38 Research Institute of CETC, Hefei 230088)

A universal wideband PLL frequency source is designed based on the HMC833LP6GE, with the frequency and power of the output signals adjustable from 25MHz to 6 000MHz. The PLL features simple design, high integration, low power consumption and low cost, being able to satisfy a variety of requirements. The test results indicate that the PLL has excellent phase noise and spurious suppression performance.

PLL; HMC833; wideband; MCU

TN74

A

1009-0401(2017)04-0026-04

2017-08-10；

2017-08-22

張杰(1987-),男，工程師，研究方向：頻率合成器和雷達(dá)接收系統(tǒng)；代傳堂(1981-)，男，高級(jí)工程師，研究方向：頻率合成器和雷達(dá)接收系統(tǒng)；崇毓華(1985-)，男，高級(jí)工程師，研究方向：雷達(dá)接收技術(shù)與微波光子技術(shù)。