基于CRO的低相噪頻率合成器設(shè)計(jì)

張海拓

摘要：頻率合成器是現(xiàn)代電子系統(tǒng)的重要組成，本文采用同軸陶瓷介質(zhì)振蕩器（CRO）進(jìn)行了壓控振蕩器（VC0）設(shè)計(jì)，給出了頻率合成器的實(shí)現(xiàn)原理和設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了低相噪的頻率合成器模塊，并對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試。

【關(guān)鍵詞】頻率合成 鎖相環(huán) 介質(zhì)振蕩器 相位噪聲

1 概述

頻率合成器是被稱(chēng)作現(xiàn)代通信系統(tǒng)的心臟，它對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)起決定作用，廣泛應(yīng)用于數(shù)字通信、衛(wèi)星通信、雷達(dá)、導(dǎo)航、航空航天、遙控遙測(cè)以及高速儀器儀表等領(lǐng)域。頻率合成的方法有多種，具體采用那種方法實(shí)現(xiàn)，要根據(jù)實(shí)際工程需要進(jìn)行選擇。相位噪聲頻率合成器的關(guān)鍵指標(biāo)，是衡量輸出信號(hào)相位抖動(dòng)大小的重要參數(shù)。隨著數(shù)字通信的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，研制具有低相位噪聲的頻率合成器具有十分重要的意義。

2 工作原理

鎖相式頻率合成技術(shù)，是在四十年代初根據(jù)控制理論的線性伺服環(huán)路發(fā)展起來(lái)的，它是目前頻率合成器的主流，本文采用該方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。在鎖相式頻率合成器中，鎖相環(huán)路相當(dāng)于一窄帶跟蹤濾波器，能很好地選擇所需頻率的信號(hào)，抑制雜散分量，且避免了大量使用濾波器，十分有利于集成化和小型化。一個(gè)設(shè)計(jì)良好的壓控振蕩器具有高的短期頻率穩(wěn)定性，而標(biāo)準(zhǔn)頻率源具有高的長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度，鎖相式頻率合成器把這二者結(jié)合在一起，使其合成信號(hào)的長(zhǎng)期穩(wěn)定度和短期穩(wěn)定度都很高。

構(gòu)成鎖相式整數(shù)頻率合成器的關(guān)鍵部分是鎖相環(huán)，它是一個(gè)相位誤差控制系統(tǒng)，通過(guò)比較輸入信號(hào)和壓控振蕩器輸出信號(hào)之問(wèn)的相位差，產(chǎn)生誤差控制電壓，調(diào)整壓控振蕩器的頻率，以達(dá)到與輸入信號(hào)同頻同相。

壓控振蕩器（VCO）是鎖相環(huán)頻率合成系統(tǒng)的重要組成部分，在微波頻率范圍內(nèi)的低頻端，常采用集中元件構(gòu)成振蕩器，基本的振蕩器電路組態(tài)有三種：考畢茲型、哈特萊型及克拉潑型振蕩器?？籍吰澬停╝）用一電容器作為調(diào)諧電路中的分壓器，哈特萊型（b）用一抽頭式電感調(diào)諧電路，而克拉潑型振蕩器（c）則相似于考畢茲型，不同的是另外用了一只電容與電感相串連，以改善頻率穩(wěn)定性。加入反饋網(wǎng)絡(luò)的目的，在于增加負(fù)阻電阻值，以獲得最佳功率輸出。

3 設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)需求是輸出頻率為1600MHz的信號(hào)，相位噪聲是需重點(diǎn)關(guān)注的關(guān)鍵指標(biāo)。相位噪聲與環(huán)路帶寬密切相關(guān)，環(huán)路帶寬內(nèi)的相位噪聲主要由輸入噪聲決定，而環(huán)路帶寬外的相位噪聲則主要由VCO的相位噪聲決定，環(huán)路帶寬也與鑒相頻率有關(guān)，一般不超過(guò)鑒相頻率的1/5。要注意倍頻對(duì)相位噪聲的影響，倍頻將會(huì)造成參考信號(hào)相位噪聲的惡化，惡化的程度為20logN，其中N是分頻器的分頻比，也就是鎖相頻率合成器的倍頻數(shù)。

本設(shè)計(jì)對(duì)VCO相位噪聲要求較高，傳統(tǒng)的三點(diǎn)式振蕩器中，電感一般是相位噪聲提高的制約因素。終端短路結(jié)構(gòu)的CRO器件在自諧振頻率以下可等效為高O值的電感，可用來(lái)進(jìn)行高性能壓控振蕩器的設(shè)計(jì)。

本文采用ADI公司的單片集成鎖相環(huán)芯片ADF4113作為鎖相環(huán)電路的鑒相器，通過(guò)環(huán)路濾波器和壓控振蕩器電路的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了低相噪的頻率合成器。

3.1 壓控振蕩器（VC0）設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的VC0的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單介紹如下，該電路是在克拉潑電路結(jié)構(gòu)上做一定改動(dòng)后的西勒振蕩結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由于在電感的兩端并聯(lián)一個(gè)電容，更利于調(diào)節(jié)和起振。三極管采用NE68519，在低電源低電流下具有較高的增益。Rl，R2和R3，R4為三極管提供偏置，Ll起到扼流的作用，CI，C2提供反饋回路，CSER與L2，CVAR，Cl，C2提供諧振頻率。CVAR -般采用變?nèi)荻O管實(shí)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)節(jié)CVAR兩端的電壓實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)。

圖1為仿真電路，設(shè)計(jì)參數(shù)如圖所示，采用ADS2008對(duì)上述電路進(jìn)行仿真，由圖2可知，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了振蕩功能，壓控電壓為3V時(shí)，輸出頻率為1.596GHz，調(diào)試時(shí)對(duì)電容微調(diào)即可得到需求的1.6GHz。

3.2 環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)

采用ADI公司的鎖相環(huán)仿真軟件ADIsimPLL進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真，采用四階環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)，可有效抑制參考雜散。設(shè)計(jì)時(shí)輸入?yún)⒖碱l率為10MHz，VC0使用ADS仿真的結(jié)果，環(huán)路帶寬可設(shè)置為5KHz，相位余量為45°。

4 實(shí)現(xiàn)及測(cè)試

根據(jù)以上仿真優(yōu)化結(jié)果，在FR-4介質(zhì)板上制作電路，用Agilent N9030A信號(hào)分析儀對(duì)設(shè)計(jì)的頻率合成器進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)測(cè)試結(jié)果，可以看出，其實(shí)現(xiàn)的相位噪聲指標(biāo)較高，達(dá)到了-llldBc/Hz@lOkHz，-128dBc/Hz@lOOkHz，-142dBc/Hz@lMHz，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)使用需求，通過(guò)理論分析進(jìn)行了低相位噪聲頻率合成器設(shè)計(jì)，試驗(yàn)情況表明，同軸諧振振蕩器（CRO）在自諧振頻率下，比電感具有更高的溫度穩(wěn)定性和更高的0值，采用CRO進(jìn)行鎖相環(huán)電路中的壓控振蕩器設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)低相位噪聲的頻率合成器產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)

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