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基于ADF4106的鎖相環(huán)頻率器研究和設(shè)計(jì)論文
引言
頻率合成器的功能就是給收發(fā)機(jī)中的變頻電路提供頻率可編程的本地載波信號(hào),是無(wú)線收發(fā)機(jī)的核心模塊之一,其性能對(duì)通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量具有重大影響。目前頻率合成器主要有直接模擬頻率合成技術(shù)(DS)、鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)(PLL)、直接數(shù)字頻率合成技術(shù)(DDS)、混合頻率合成技術(shù)四種實(shí)現(xiàn)方式,其中鎖相環(huán)頻率合成器是射頻電路中最常使用的一種結(jié)構(gòu),相比于其他幾種結(jié)構(gòu),PLL結(jié)構(gòu)能夠在有限的功耗限制下合成高性能的載波信號(hào)。本文基于鎖相環(huán)芯片ADF4106設(shè)計(jì)了一種數(shù)字鎖相環(huán)頻率合成器,具有超寬的帶寬、較好的噪聲特性、快速鎖定時(shí)間,以及功耗低和體積小等特點(diǎn),從而被廣泛應(yīng)用于無(wú)線通信系統(tǒng)中。
一、鎖相環(huán)頻率合成器的基本工作原理
鎖相環(huán)(PLL)是一個(gè)相位誤差控制系統(tǒng),通過(guò)將輸入信號(hào)與壓控振蕩器(VCO)輸出信號(hào)之間的相位進(jìn)行比較,產(chǎn)生相位誤差電壓經(jīng)處理后去調(diào)整壓控振蕩器的相位。當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí),輸入信號(hào)與壓控振蕩器輸出信號(hào)頻差為零,相位差不再隨時(shí)間變化,此時(shí)誤差控制電壓為一固定值,壓控振蕩器輸出頻率與輸入信號(hào)頻率相等,即fout=(N/R)*fin。鎖相環(huán)基本原理框圖如圖1所示。
鎖相環(huán)主要結(jié)構(gòu)由VCO、鑒相器(PFD)、分頻器和環(huán)路濾波器(LPF)組成。其中,PFD主要功能是進(jìn)行相位比較的,它把VCO輸出信號(hào)N分頻后與輸入頻率R分頻后進(jìn)行比較,產(chǎn)生誤差控制電壓。LPF的作用是濾除誤差電壓中的高頻成分和噪聲,以保證環(huán)路所要求的性能,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。VCO受控制電壓的控制,使其輸出頻率向參考信號(hào)的頻率靠近,兩者頻率之差越來(lái)越小,直至消除頻差而相位同步實(shí)現(xiàn)鎖定。在實(shí)際設(shè)計(jì)中,可以通過(guò)程序改變分頻比R、N,從而獲得需要的穩(wěn)定輸出頻率。
二、方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2.1 鎖相環(huán)芯片ADF4106結(jié)構(gòu)功能介紹
ADF4106是ADI公司生產(chǎn)的集成鎖相環(huán)頻率合成器芯片,利用該芯片可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線收發(fā)機(jī)上變頻和下變頻部分的本地振蕩。ADF4106由一個(gè)低噪聲數(shù)字PFD、一個(gè)精確的電荷泵、一個(gè)可編程基準(zhǔn)分頻器R(14位)、可編程A(6位)、B(13位)計(jì)數(shù)器和一個(gè)雙模前置分頻器P/P+l組成。A、B計(jì)數(shù)器和雙模前置分頻器相連接實(shí)現(xiàn)一個(gè)分頻器N,且N=PB+A。該芯片具有6GHz的頻率帶寬,2.7V~3.3V的供電電壓,獨(dú)立的電荷泵供電電壓,可編程的雙模前置分頻器P/P+l,其值可取8/9、16117、32/33和64/65,同時(shí)還具有三線串行接口、模擬數(shù)字鎖定檢測(cè)、硬件軟件低功耗模式等特性。ADF4106同外部LPF和VCO可以組成一個(gè)完整的PLL電路。由于ADF4106的寬帶特性消除了許多高頻系統(tǒng)中倍頻器的使用,從而簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和降低了成本。
在本文設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)2GHz的頻率合成器,且要求2GHz頻率信號(hào)分兩路輸出,并保證其中一路輸出信號(hào)功率達(dá)到13dBm。該電路主要由ADF4106、LPF、VCO和射頻信號(hào)輸出部分組成。根據(jù)圖1,選取輸入信號(hào)頻率fin=10MHz,該信號(hào)在進(jìn)入ADF4106的Refin引腳前通過(guò)一個(gè)T型匹配網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。為了保證PFD輸入信號(hào)頻率為1MHz,需要通過(guò)編程設(shè)定基準(zhǔn)分頻器R的值為10,分頻器N的值為2000。
ADF4106具有一個(gè)簡(jiǎn)單的SPI兼容串行接口向器件引腳CLK、DATA、LE寫(xiě)數(shù)據(jù),當(dāng)LE為上升沿時(shí),將CLK每個(gè)時(shí)鐘上升沿存儲(chǔ)到寄存器中的24位數(shù)據(jù)送入合適的鎖存器中。串行輸入時(shí)序圖如圖2所示。
2.2 LPF設(shè)計(jì)
LPF在頻率合成器設(shè)計(jì)過(guò)程中直接影響到頻率合成器的相位噪聲和轉(zhuǎn)換頻率,由于PFD的輸出不但包含直流控制信號(hào),還有一些高頻諧波成分,LPF通過(guò)對(duì)電阻電容進(jìn)行適當(dāng)?shù)膮?shù)設(shè)置,可以濾除高頻成分,避免這些諧波對(duì)下一級(jí)VCO電路產(chǎn)生影響。LPF可以分為有源濾波器和無(wú)源濾波器,本文設(shè)計(jì)的無(wú)源LPF將電荷泵輸出電流轉(zhuǎn)換成控制電壓,同時(shí)抑制鑒相頻率的輸出紋波。在電路設(shè)計(jì)過(guò)程中,由于二階LPF很難抑制環(huán)路帶寬頻率十倍以上的紋波,所以采用三階LPF,提高對(duì)雜散頻率的抑制程度。三階LPF的電路圖如圖3所示,對(duì)于LPF中電容和電阻的數(shù)值,可以通過(guò)Analog器件公司(ADI)提供的LPF仿真軟件ADIsimPLL和安捷倫公司(注:現(xiàn)更名為是德科技公司)的ADS仿真軟件進(jìn)行仿真得到,通過(guò)設(shè)定相關(guān)參數(shù),并經(jīng)過(guò)不斷的優(yōu)化和調(diào)試得出LPF各器件參數(shù)值為:Cl=lOOpF,C2=1.5nF, C3=20pF, R1=4.3kΩ,R2=6.2kΩ。
2.3 VCO功能介紹
VCO作為一個(gè)電壓頻率轉(zhuǎn)換器,由于其能夠產(chǎn)生最終輸出信號(hào)頻率,所以在PLL中占有重要地位。VCO是一種具有線性控制特性的調(diào)頻振蕩器,其輸出頻率隨控制電壓的改變而改變,使輸出信號(hào)頻率向參考信號(hào)的頻率接近,直至消除頻差實(shí)現(xiàn)鎖定。
VCO具有相位噪聲、頻率穩(wěn)定度、頻率范圍、諧波抑制等器件特性。本文從設(shè)計(jì)指標(biāo)要求考慮,選取Z-Communications公司的CR02000作為壓控振蕩器,由于該器件具有較低的相位噪聲、很好的諧波抑制、較好的線性度以及容易焊接的器件封裝,故選取該器件作為PLL的VCO,并在實(shí)際應(yīng)用中取得良好的性能。
2.4 射頻通路設(shè)計(jì)
由于vco輸出負(fù)載阻抗為50Ω,故要求2GHz輸出信號(hào)射頻走線阻抗同樣為50Q,本文印制板使用疊層的方式,其中第一層介質(zhì)材料為Rogers4350B,板厚為20mil,介電常數(shù)為3.48,通過(guò)仿真軟件Polar S19000計(jì)算得到射頻走線寬度為40mil。射頻通路設(shè)計(jì)框圖如圖4所不。
本文要求2GHz頻率信號(hào)通過(guò)Y型電阻式功分器分兩路輸出,并保證其中一路輸出信號(hào)功率達(dá)到13dBm。由于VCO輸出信號(hào)功率較小,需要在通路中加入放大器ERA-5SM,保證輸出功率值,同時(shí)為了抑制2GHz信號(hào)之外的諧波和非諧波等干擾,需要在兩個(gè)通路輸出端加上低通濾波器LFCN-2000。
2.5 鎖相環(huán)頻率器電路原理圖及測(cè)試結(jié)果
基于上述鎖相環(huán)頻率器各模塊的介紹和設(shè)計(jì),最終電路設(shè)計(jì)如圖5所示。根據(jù)圖5所示原理圖,畫(huà)出相應(yīng)的PCB外協(xié)加工,將加工的印制板安裝到提前設(shè)計(jì)好的屏蔽盒中進(jìn)行測(cè)試,安捷倫N9020A測(cè)試結(jié)果如圖6、圖7所示。其中圖6為輸出信號(hào)功率測(cè)試結(jié)果,圖7為相位噪聲測(cè)試結(jié)果。
由圖6可知,在輸出信號(hào)2GHz處功率為14.22dBm,滿(mǎn)足信號(hào)功率達(dá)到13dBm的要求。同時(shí)由圖7可知,輸出信號(hào)單邊帶相噪為處,同樣滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)。
三、總結(jié)
頻率合成器在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中具有舉足輕重的地位,其性能的好壞決定了通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)。本文基于鎖相環(huán)芯片ADF4106設(shè)計(jì)的頻率器具有低噪聲、低功耗、低成本及電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn),從而被廣泛應(yīng)用于無(wú)線通信系統(tǒng)領(lǐng)域。