基于ADF4111的鎖相環頻率合成器設計

張珂勇

（電子科技大學 四川 成都 610054）

鎖相環頻率合成器作為一種相位負反饋控制技術，能提供高穩定度的頻率輸出，具有以下優點：鎖定時無剩余頻差；門限性能優良；寬帶調制跟蹤性能好；窄帶載波跟蹤性能強；易于集成[1]。廣泛應用于微處理器芯中的時鐘發生器、硬盤驅動電路模塊、時鐘恢復電路等以及便攜式消費電子產品中。隨著電子技術的發展，電子設備對對頻率合成器的要求也越來越高。文中旨在設計出滿足移動通信中GSM下行頻率范圍930～960 MHz的頻率輸出，同時提出一種減少開發風險、加快鎖相環產品開發周期的設計方法。

1 鎖相環頻率合成器的原理

鎖相技術是通過比較輸入信號和壓控振蕩器VCO的輸出信號相位，取出與二者的相位差成正比的電壓作為控制電壓來控制VCO的輸出，以達到使二者信號頻率（相位）相等的目的。總之，鎖相環電路是用于產生與輸入信號相位同步的新的信號電路。其電路基本組成如圖1所示[2-4]。

圖1 PLL頻率合成框圖Fig.1 PLL frequency synthesis principle diagram

由基本原理得到，其輸出頻率f0=N*fv（fv為參考頻率）。令fv=200 kHz，f0=930～960 MHz，故分頻數N為 4 650～4 800。

1.1 利用ADIsimPLL快速選型與仿真

ADIsimPLL是ADI發布的鎖相環產品輔助設計及仿真工具，擁有強大的鎖相環芯片、VCO庫，能快速進行產品選型與仿真，并能進行包括環路濾波器在內的外圍電路設計，避免復雜的環路濾波器計算，提高準確度與效率[5-7]。運用ADIsimPLL軟件可以選擇具有高集成度、頻率范圍為0 Hz～1.4 GHz的ADF4111作為鎖相環芯片，選用三階無源超前滯后濾波器為環路濾波器。軟件會根據需求自動篩選出合適的VCO，在此選擇ZComm公司的V580ME02。其輸出頻率范圍為900～960 MHz，壓控靈敏度Kv為37 MHz/V。確定環路帶寬為10 kHz，相位裕度45°。自動生成的鎖相環頻率合成器原理圖如圖2所示，環路濾波器參數如表1所示。

1.2 利用ADS進一步仿真優化

ADS全稱為 Advanced Design System，是美國安捷倫（Agilent）公司所生產擁有的電子設計自動化軟件。ADS功能十分強大，包含時域電路仿真 （SPICE-like Simulation）、頻域電路仿真 （Harmonic Balance、Linear Analysis）、 三維電磁仿真、通信系統仿真（Communication System Simulation）和數字信號處理仿真設計（DSP），是微波、射頻電路仿真分析的首選工具[8]。

圖2 ADIsimPLL仿真圖Fig.2 ADIsimPLL schematic diagram

表1 ADIsimPLL得到的環路濾波器參數Tab.1 Parameters of loop filter from ADIsimPLL

表2 ADS優化得到的環路濾波器參數Tab.2 Parameters of loop filter optimized by ADS

以上仿真在10 kHz處的相位裕度為45°，滿足了條件，但是并沒有得到最大相位裕度，可能造成系統的不穩定，因此仍需進一步利用ADS進行優化[9-10]。在ADS中建立鎖相環的瞬態響應仿真，設置變量 Kv=37 MHz，Id=0.004 5 A，No=4750，環路帶寬為10 kHz，添加相關優化變量，使其在10 kHz處的相位裕度達到最大。優化后的環路濾波器參數如表2所示，與優化前有較大變化。開、閉環增益（相位）曲線響應如圖3所示，可見其相位裕度提高到47.2°。鎖定時間如圖4所示，其鎖定時間為377.5 μs。從各部分相位噪聲關系圖6可以看出，總的相位噪聲優于-80 dBc/Hz@10 kHz。可見利用ADS進一步仿真優化使電路的穩定性有了較大提升。

圖3 開、閉環增益曲線Fig.3 Open and closed loop amplitude responses

圖4 開、閉環相位曲線Fig.4 Open and closed loop phase responses

圖5 輸出頻率的鎖定時間Fig.5 VCO frequency versus time

2 結束語

文中在利用ADS設計PLL頻合器前使用ADIsimPLL進行快速選型與環路濾波器的參數確定，避免繁瑣的選型與復雜的推導計算，進而快速設計出輸出頻率為930～960 MHz，性能指標優良的鎖相環頻率合成器。該方案提高了設計精準度，有力地縮短了設計周期，為快速設計鎖相環頻率合成器提供一種行之有效的辦法。

圖6 各部分相位噪聲關系Fig.6 Contributions to VCO phase noise

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