基于MCM 技術的小型化頻率合成器設計與實現

郭 鑫，程建斌

（中科芯集成電路有限公司，江蘇無錫 214072）

1 引言

無線通信系統(tǒng)中，頻率合成器是射頻收發(fā)系統(tǒng)的核心部件，高性能的頻率合成器是保證通信系統(tǒng)性能的關鍵[1-2]。隨著電子系統(tǒng)小型化及更高性能的需求，對頻率合成器的小型化、捷變頻、細步進、低雜散、低相噪設計也提出了更高的要求。而多芯片組件（Multi-Chip Module,MCM）是實現電子裝備小型化、輕量化、高性能、低成本專用集成電路不可缺少的關鍵技術[3-4]。本文詳細介紹了一種基于MCM 技術、采用國產GM4704 芯片設計的頻率合成器。

2 工作原理及實現方式

頻率合成器指標如下：參考輸入100 MHz；輸出頻率13.4 GHz；輸出功率不小于5 dBm；相位噪聲不大于-85 dBc/Hz@10 kHz；雜散不大于-60 dBc；尺寸15 mm×15 mm×6 mm。

MCM 技術是將多個裸芯片組裝在同一個復合基板上，經密封后形成高集成度的微電子組件。其核心思路是摒棄傳統(tǒng)的大體積封裝元器件，選用集成度更高的裸片（Die）、利用微組裝工藝實現電氣和射頻信號互聯?，F階段微組裝工藝已經非常成熟，裸片的選擇成為制約MCM 實現的關鍵因素。

為實現小型化設計，選擇單環(huán)鎖相環(huán)（Phase Locking Loop，PLL）實現，原理方案見圖1。100 MHz外部參考信號經鎖相環(huán)直接合成得到13.4 GHz 信號。鏈路中包含的器件有鑒相器（Phase Detector，PFD）、環(huán)路濾波器（Loop Filter，LF，一般會包含運算放大器）、壓控振蕩器（Voltage-Controlled Oscillator，VCO）、單片機、低壓差線性穩(wěn)壓器（Low Dropout Regulator，LDO）等。下面對頻率綜合器中最關鍵器件的裸片選擇一一進行介紹。

圖1 小型化頻率合成器方案

鑒相器選擇振芯科技公司生產的GM4704，廠家可提供裸片。它是一款低相噪小數鎖相環(huán)芯片，結合外部環(huán)路濾波器、外部基準頻率源、壓控振蕩器使用時，可以實現0.2～10.0 GHz 小數、整數分頻頻率合成器，其中小數分頻頻率合成器具有24 bit 固定小數分母，在10 GHz 時能夠達到亞赫茲步長精度的頻率分辨率。GM4704 的最高鑒相頻率可達115 MHz，可獲得極低的帶內相位噪聲性能，歸一化相位噪聲優(yōu)值為-233 dBc/Hz。

運算放大器選擇ADI 公司的OP284，廠家可提供裸片。它是一款軌到軌運算放大器，帶寬4 MHz，可將VCO 的壓控電壓拉高至18.0 V，覆蓋大部分VCO 壓控范圍。

VCO 選擇中國電子科技集團公司第十三研究所的BW434，廠家可提供裸片。壓控振蕩器芯片工作頻率覆蓋12.0～13.5 GHz。該振蕩器內部集成了負阻振蕩電路、諧振電路及變容二極管，同時提供1/2 次諧波頻率輸出。+5 V 工作電壓下，BW434 的輸出功率達14 dBm，相位噪聲低至-109 dBc/Hz @100 kHz，適合應用于點對點通信、VSAT 等各種通信系統(tǒng)。

單片機選擇SILICON LAB 公司的C8051F300，廠家可提供裸片。它是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU 芯片，具有高速、流水線結構的8051，兼容CIP-51 內核，集成高精度可編程的25 MHz 內部振蕩器，16 kB 可在系統(tǒng)編程的FLASH 存儲器及1280 B片內RAM，可通過串行外設接口（Serial Peripheral Interface，SPI）對鑒相器進行控制。

低壓差線性穩(wěn)壓器選擇TI 公司的TPS76733，廠家可提供裸片。該穩(wěn)壓器輸入4.3～10.0 V，輸出3.3 V，可提供1 A 的負載電流。其外圍電路簡單，噪聲特性良好，穩(wěn)壓后為鑒相器供電。

3 參數設計

由器件資料可知，VCO 在13.4 GHz 處對應的壓控電壓為10 V 左右，所以應選擇有源環(huán)路濾波器[2]，拓撲結構見圖2[5]。

頻率合成器采用PLL 設計，在PLL 帶寬內，參考信號和鑒相器引入的噪聲由如下計算得到[6]。

參考信號的相位噪聲對輸出信號相噪的貢獻L1（f）為：

式中Lr（f）為外部參考晶振的相位噪聲，N 為反饋分頻比，R 為參考分頻比。

鑒相器的基底相噪對輸出信號相噪的貢獻L2（f）為：

在環(huán)路帶寬外，相位噪聲主要取決于壓控振蕩器自身的相噪特性[7]。

頻率合成器考查10 kHz 處的相噪，設置環(huán)路帶寬為50 kHz，相位裕度約為45°，10 kHz 處相噪主要由式（3）保證，設置鑒相頻率為50 MHz，VCO 的1/2 頻率反饋到GM4704 中。

對環(huán)路濾波器的開環(huán)增益和閉環(huán)增益分別進行CAD 仿真[8]，結果如圖3、4 所示。優(yōu)化R2、R3參數后，可得到比較理想的環(huán)路特性。環(huán)路參數見表1。

圖3 13.4 GHz 處環(huán)路濾波器開環(huán)增益仿真結果

圖4 13.4 GHz 處環(huán)路濾波器閉環(huán)增益仿真結果

表1 環(huán)路濾波器設計參數

4 實物及測試結果

圖5 為頻率合成器在高倍顯微鏡下的實物圖，可以看出，除阻容器件選用0402 封裝之外，所有集成電路均為裸片。通過微組裝工藝將集成度大大提高，整個模塊尺寸僅為15 mm×15 mm×6 mm。利用Agilent E4440A 對信號頻譜和相位噪聲進行測試，圖6 為輸出13.4 GHz 的頻譜圖，圖7 為相位噪聲，優(yōu)于-88 dBc/Hz@10 kHz。

圖5 頻率合成器

圖6 信號頻譜測試

圖7 相位噪聲測試

5 結論

本文介紹了一種基于MCM 技術的X 頻段小型化頻率合成器設計與實現。所有集成電路選擇裸片，利用微組裝方式大大縮小了模塊體積，另外借助CAD仿真工具，實現了頻率合成器的低相噪。出于節(jié)約成本的角度，外形結構采用了鋁件機加工方式制造，后續(xù)外殼可采用LTCC 基板，預計尺寸有望進一步縮小。合適的裸片選擇為MCM 技術的核心，本文從頻率合成器角度出發(fā)，闡述了MCM 技術的設計與實現，未來還可以推廣于其他射頻模塊中，對小型化組件的實現有一定的參考價值。