基于ADF4216與SI550的高穩定度本振設計＊

2011-01-16 15:56:54

艦船電子工程 2011年6期

(武漢船舶通信研究所武漢 430079)

1 器件介紹

美國ADI公司是高性能模擬器件供應商,在鎖相環領域已有十多年的設計經驗。其ADF系列鎖相環產品所能綜合的頻率可達8GHz,幾乎能夠涵蓋目前所有的無線通信系統頻段。ADF4216就是其中的一款,主要特性如下：

?雙通道PLL合成器;

?IF頻率范圍可達550MHz;

?RF頻率可達1.2GHz;

?可選電荷泵;

?可選雙模寄存器;

?3.3V～5.5V電壓供電。

SILICON LOBS生產Silabs Si550系列壓控晶振(VCXO)芯片,內部集成了頻率固定的低頻石英振蕩器和專利的DSPLL?鎖相回路。在電路中用做VCO,其主要特性如下：

?頻率范圍：從10MHz～1.4GHz可選任意頻率,滿足單頻,雙頻,4頻集成輸出的要求;

?壓控范圍：±10ppm,±20ppm,±50ppm可選;

?上升時間/下降時間：＜350ps(CML/PECL/LVDS輸出);

?輸出抖動RMS(jitter)：＜1ps;

?輸出信號占空比：45%～55%;

?輸出電壓方式：T TL/CMOS,PECL,LVPECL,CML;

?工作電壓：1.8V,2.5V,3.3V可選。

2 工作原理

本文所述高穩定度本振是通過頻率合成器,集成壓控振蕩器,環路濾波器,高穩定度參考時鐘四部分形成鎖相環電路來實現的,其原理框圖如圖1所示。

頻率合成器在鎖相環(PLL)中工作,鑒頻鑒相器(PFD)將反饋頻率與基準頻率的某一分頻形式相比較。PFD的輸出電流脈沖經過濾波和積分,產生一個電壓。此電壓驅動一個外部電壓控制振蕩器(VCO)提高或降低頻率,從而驅動PFD的平均輸出接近0。

頻率經過計數器縮放。輸入基準(R)計數器將基準輸入頻率降至PFD頻率(FPFD=FREF/R),反饋(N)計數器降低至輸出頻率,在PFD處與經過縮放的基準頻率相比較。達到均衡是,這兩個頻率相等,輸出頻率為N×FPFD。反饋計數器為雙模預分頻器類型,具有A計數器和B計數器(N=BP+A,其中P為預分頻值)。

3 實現方法

本電路主要由四部分(頻率合成芯片ADF4216、壓控振蕩電路(SI550)、高穩定度恒溫晶體、環路濾波電路)組成(如圖2所示),以產生560MHz穩定正弦時鐘信號為例詳細說明具體實現方法：

1)該電路中所選用頻率合成器芯片為獨立兩路頻率合成器(即可分別獨立完成兩路的鎖相環頻率合成)。IF中頻可到550MHz,RF射頻最高可到1.2GHz。兩個部分可以分別使用,也可同時使用,可根據要求產生本地振蕩器頻率范圍選擇。

2)隨模式控制高、低電平的不同,雙模分頻器采用兩個不同的分頻模數P+1和P。雙模分頻器的輸出同時驅動兩個可編程分頻器,他們分別預置在A和B(A＜B),并進行減計數。在除A和除B分頻器未計數到零時,模式控制為高電平,雙模分頻器輸出頻率為fvco/(P+1)。在輸入A(P+1)個周期之后,除A分頻器計數到零,將模式控制變為低電平,A分頻器計數停止計數。此時,除B分頻器還有B-A個數,雙模分頻器的模數變為P,輸出頻率為fvco/P。再經過P(B-A)個周期,除B分頻器計數到零,輸出低電平,再將兩計數器重新置為A和B,同時將模式控制恢復為高電平。通過這一完整的周期,合成器的分頻比為：N=(P+1)A+P(B-A)=PB+A,頻率分辨率為fr=fvco/N。

壓控振蕩器輸出的信號經N次分頻后送入鑒相器中作為一路鑒相信號,參考晶振輸出的標準信號經參考分頻器R(范圍為0～16383)相器中作為另一路鑒相信號。鑒相器的輸出反映兩路鑒相信號相位誤差特性的電流序列脈沖,波器將電流轉換成VCO的控制電壓,同時對噪聲及鑒相輸出的紋波等干擾進行抑制,VCO輸出與其輸入端控制電壓相應的工作頻率。

3)確定瑣相環PLL頻率合成器各項參數。瑣相環鎖定后頻率分辨率fr=fvco/N=fvco/(PB+A)=fREFIN/R。分辨率約大,瑣相環鎖定時間越短,相位噪聲越小。因此以產生560MHz本地振蕩器為例,假設選用的參考時鐘(即高穩定度恒溫晶體輸出)為20.48MHz,代入方程并將方程兩端約到最簡,由于N與R都為整數,R又要取最小值,則可以得出R為32,N為875,P取32,而A＜B則可確定A為11,B為27,即確定了瑣相環頻率合成器所有參數。其他頻率合成依此方法確定。

4)向鎖相環頻率合成器的寄存器寫參數。可選用單片機、CPLD芯片或者FPGA芯片等等各種芯片向鎖相環頻率合成器的寄存器內寫參數。鎖相環頻率合成器的CLOCK、DATA、LE三個管腳負責接收外來數據,時序關系如圖3(注意：在ADI的PLL產品中,大多數datasheet中的SPI時序圖有錯誤的,正確的應是如圖3所示)。關于寄存器的描述請參考ADF4216數據手冊。