一種級聯(lián)鎖相環(huán)頻率合成器的設(shè)計與實現(xiàn)

簡晨，王梓宇

（國家無線電監(jiān)測中心陜西監(jiān)測站，陜西西安710299）

一種級聯(lián)鎖相環(huán)頻率合成器的設(shè)計與實現(xiàn)

簡晨，王梓宇

（國家無線電監(jiān)測中心陜西監(jiān)測站，陜西西安710299）

介紹了鎖相環(huán)的組成結(jié)構(gòu)，詳細分析了鎖相環(huán)系統(tǒng)各部分產(chǎn)生的相位噪聲，結(jié)合分析結(jié)果給出了一種以雙鎖相環(huán)集成芯片LMK04031為核心實現(xiàn)125 MHz時鐘源的頻率合成器的設(shè)計方法，并給出關(guān)鍵電路的設(shè)計。通過調(diào)試，產(chǎn)生高性能的頻率源，為鎖相頻率合成的工程應(yīng)用提供參考。

LMK04031；鎖相環(huán)；頻率合成器；相位噪聲

0 引言

頻率合成器為現(xiàn)代電子通信系統(tǒng)提供高穩(wěn)定高性能的頻率源，其好壞直接影響通信系統(tǒng)的質(zhì)量。產(chǎn)生頻率源的頻率合成技術(shù)包括直接頻率合成、直接數(shù)字頻率合成、鎖相環(huán)頻率合成和混合頻率合成。本文介紹鎖相環(huán)系統(tǒng)，對其進行線性相位噪聲分析，給出某系統(tǒng)中采用級聯(lián)鎖相環(huán)芯片LMK04031產(chǎn)生125 MHz時鐘源的設(shè)計方法及測試結(jié)果。

1 鎖相環(huán)介紹

鎖相環(huán)（PLL）是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。主要包括參考頻率（RG）、鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LPF）和壓控振蕩器（VCO）幾個部分，如圖1所示。通過將參考頻率源產(chǎn)生的信號vi（t）與壓控振蕩器輸出反饋回來的信號vo（t）在鑒相器中進行相位比較，產(chǎn)生一個相關(guān)的電壓信號vd，經(jīng)過環(huán)路濾波濾除毛刺和噪聲后變?yōu)関c，控制壓控振蕩器輸出頻率的變化，形成一個負反饋過程。設(shè)參考頻率為ωi，輸出頻率為ωo，在環(huán)路鎖定時，進入鑒相器中的兩個信號頻率相等，即ωi=ωo。一般的鎖相環(huán)電路中，為了得到更高的輸出頻率，將參考頻率R分頻，輸出頻率N分頻后送入鑒相器中進行相位比較，則有：

圖1 鎖相環(huán)的基本結(jié)構(gòu)

即輸出頻率為參考頻率的N/R倍。當今市場上的鎖相環(huán)芯片通常集成N分頻器、R分頻器、鑒相器和VCO等部分。通過選擇合適的參考頻率、控制N和R的值便可以得到所需要的輸出頻率。為了獲得較高性能的頻率源，也可以采用分立的鑒相器、VCO和分頻器等器件。

鎖相環(huán)可以分為模擬鎖相環(huán)、數(shù)字鎖相環(huán)和數(shù)模混合鎖相環(huán)。數(shù)模鎖相環(huán)又稱電荷泵鎖相環(huán)，與模擬鎖相環(huán)相比具有跟蹤范圍廣、捕獲時間短和成本低的優(yōu)點，現(xiàn)今集成鎖相環(huán)芯片通常采用電荷泵鎖相環(huán)。通常內(nèi)部集成鑒相器、分頻器和壓控振蕩器。

2 相位噪聲分析

在偏離載波foffset處相位噪聲定義為在該頻率處1 Hz帶寬內(nèi)的信號功率與載波信號的功率比值，可以用式（2）表示：

如圖2所示，載波信號功率為Ps（dBm），偏移載波foffset處1 Hz內(nèi)信號功率為Pn（dBc/Hz），那么根據(jù)式（2），相位噪聲可以表示為：

圖2 信號的相位噪聲

鎖相環(huán)的相位噪聲來源于各個組成部分，包括參考源、鑒相器、壓控振蕩器及其電路等。鎖定條件下，當環(huán)路帶寬小于鑒相頻率的十分之一時，鎖相環(huán)系統(tǒng)可以看成一個線性系統(tǒng)。對鎖相環(huán)路進行線性分析，可以得到各部分對輸出相位噪聲的影響。鑒相器通過比較輸入信號與反饋信號，產(chǎn)生一個相位差，與鑒相增益Km相乘，得到誤差電流Ie：

再經(jīng)過環(huán)路濾波器轉(zhuǎn)化為直流控制電壓Vc：

鎖相環(huán)路線性化模型如圖3所示。根據(jù)圖中各模塊的傳遞函數(shù)，可以得到系統(tǒng)的前向增益：

圖3 鎖相環(huán)路線性相位模型

反饋增益：

系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)可以寫為：

式（8）也可以表示參考頻率源部分的噪聲對輸出噪聲產(chǎn)生影響的傳遞函數(shù)。利用傳遞函數(shù)對系統(tǒng)進行噪聲分析，可以得到R分頻、N分頻、鑒相器和VCO對系統(tǒng)輸出噪聲的影響。

R分頻噪聲傳遞函數(shù)：

鑒相器噪聲傳遞函數(shù)：

VCO噪聲傳遞函數(shù)：

根據(jù)式（8），可以得到參考頻率源相位噪聲對系統(tǒng)輸出相位噪聲的影響：

分頻器R和N產(chǎn)生的相位噪聲對系統(tǒng)的影響：

鑒相器產(chǎn)生的相位噪聲對系統(tǒng)的影響：

壓控振蕩器產(chǎn)生的相位噪聲對系統(tǒng)的影響：

系統(tǒng)各部分相位噪聲對輸出相噪的影響：

公共因子對N的變化表現(xiàn)為隨N的增大而增大，因此分頻器N應(yīng)選擇較小的數(shù)，等價于應(yīng)選擇較大的鑒相頻率。同樣，參數(shù)Km和Ko的增大都會導(dǎo)致輸出相噪的增大，因此應(yīng)選調(diào)諧系數(shù)較小的VCO。鑒相器通常用乘法器代替，選擇鑒相增益較小的器件會減小系統(tǒng)相位噪聲，通過環(huán)路濾波器抑制相位噪聲。一般地，環(huán)路濾波器的帶寬選為鑒相頻率的

3 鎖相環(huán)電路設(shè)計

頻率源的質(zhì)量直接影響通信系統(tǒng)的好壞。評價頻率源的指標包括相位噪聲、雜散、穩(wěn)定度等。因此設(shè)計過程中應(yīng)從器件選型、環(huán)路濾波、電路布局、分頻器配置多個方面進行考慮。項目要求獲得125 MHz高穩(wěn)定、低噪聲、低雜散的信號。鎖相環(huán)芯片選擇TI公司的LMK04031，參考頻率源選擇項目中GPS高穩(wěn)定時鐘模塊輸出的10 MHz信號。

3.1 參考頻率源選擇

參考頻率源為鎖相環(huán)路提供一個標準，因此它的好壞直接影響輸出頻率的準確性、穩(wěn)定度等指標。一般采用晶體振蕩器作為參考源。晶振可以分為普通晶振、溫補晶振（TCXO）、電壓控制晶振（VCXO）、恒溫晶振（OCXO）等幾種類型。普通晶振價格低、穩(wěn)定度較差；電壓控制晶振輸出頻率可以隨著電壓變化而微小變化，通過電壓調(diào)節(jié)輸出頻率的偏移，解決晶振輸出頻率隨時間而變化的問題；溫補晶振和恒溫晶振都解決了晶振穩(wěn)定度隨溫度變化而產(chǎn)生變化的問題，其中恒溫晶振輸出頻率隨溫度變化最小，穩(wěn)定度最高，價格也最昂貴。鎖相環(huán)頻率合成實質(zhì)上是對參考頻率進行倍頻，倍頻過程會對相位噪聲產(chǎn)生影響，見式（13）。因此選擇高穩(wěn)定低相噪的參考源可以改善系統(tǒng)的輸出相位噪聲。應(yīng)根據(jù)工程指標選擇合適的參考時鐘。結(jié)合成本與指標考慮，本設(shè)計采用一款TCXO作為參考時鐘。

3.2 LMK04031介紹

LMK04031是TI公司生產(chǎn)的具有級聯(lián)PLL的低噪聲時鐘抖動清潔器。它內(nèi)部集成兩個鎖相環(huán)：鎖相環(huán)1通過接收外接參考頻率源的信號，進行R1分頻后，與反饋回鑒相器的外接VCO或VCXO的N1分頻信號進行相位比較，鎖定后輸出的穩(wěn)定頻率信號進入鎖相環(huán)2中作為參考，再進行R2分頻，與內(nèi)部集成的VCO的N2分頻信號進行相位比較。VCO可輸出五路差分信號，并且可以進行以2為步進的2～510分頻，因而可以輸出5路不同頻率信號，同時每個通道可以進行以150為步進的0～2 250 ps時延。芯片封裝采用48腳WQFN封裝，尺寸小，功耗低，使用方便。

寄存器的值可以通過TI公司軟件CODELOADER確定。在CODELOADER中輸入一系列需要設(shè)置的參數(shù)，便可得到相應(yīng)的寄存器值。管腳PLL_MUX可以配置成不同的內(nèi)容來獲得芯片內(nèi)部的狀態(tài)。例如配置為PLL1鎖定高電平輸出，那么此管腳便在PLL1鎖定時輸出高電平，沒有鎖定時為低電平。也可以配置為PLL2鎖定指示、N分頻輸出、R分頻輸出等狀態(tài)。在調(diào)試的過程中通過配置此管腳來確定芯片是否處于正常工作狀態(tài)。本設(shè)計采用FPGA對寄存器進行配置。

3.3 環(huán)路濾波器設(shè)計

為了獲得較好的相噪性能，環(huán)路濾波選擇無源環(huán)路濾波器，因為不含有源器件，因此引入的噪聲較有源環(huán)路濾波少。鎖相環(huán)路1的參考頻率源為TCXO，噪聲較小，因此在鎖相環(huán)路1中采用較大的環(huán)路帶寬。而在鎖相環(huán)路2中，參考頻率源為VCXO的鎖定輸出，根據(jù)上述討論，各部分相位噪聲疊加對整體輸出有影響，因此環(huán)路2中的帶寬選擇較小一些。采用ADI公司的環(huán)路設(shè)計軟件ADISIMPLL進行環(huán)路設(shè)計，可以根據(jù)環(huán)路帶寬、鑒相頻率、相位裕度這三個參數(shù)確定環(huán)路濾波器。環(huán)路1中，參考頻率為10 MHz OCXO，R1分頻和N1分頻分別為20和50，輸出選擇25 MHz VCXO，鑒相頻率為500 kHz，環(huán)路帶寬選為鑒相頻率的1/10。因此環(huán)路濾波器帶寬選定為50 kHz，設(shè)計電路圖見圖4。LMK04031內(nèi)部VCO頻率為1 430～1 570 MHz，將輸出設(shè)為1 500 MHz，經(jīng)過VCO DIVIDER進行3分頻，再進入多通道輸出進行4分頻便可得到125 MHz輸出。環(huán)路2中的參考輸入為環(huán)路1中VCXO的25 MHz輸出，VCO輸出定1 500 MHz，R2分頻和N2分頻分別為200 Hz和4 000 Hz，鑒相頻率為125 kHz，環(huán)路濾波器2的帶寬為12.5 kHz，設(shè)計電路圖見圖5。

3.4 電路設(shè)計

鎖相環(huán)系統(tǒng)對噪聲十分敏感，因此對芯片的供電采

圖4 環(huán)路濾波器1設(shè)計電路

圖5 環(huán)路濾波器2設(shè)計電路

用線性穩(wěn)壓電源芯片。電路的布局應(yīng)注意模擬部分與數(shù)字部分隔離開來，減小數(shù)字部分對模擬部分的影響。環(huán)路的布線應(yīng)盡可能短，高頻線要注意阻抗控制。

4 電路調(diào)試及結(jié)果

級聯(lián)鎖相環(huán)的調(diào)試可以分別進行。測試中，通過更改不同寄存器的數(shù)據(jù)，使得PLL_MUX引腳輸出R分頻或N分頻的結(jié)果，利用示波器測試輸出的頻率是否為設(shè)定的鑒相頻率，便可得知寄存器是否被正確賦值。通過PLL_MUX輸出鎖定指示狀態(tài)可以判斷環(huán)路是否鎖定。兩級鎖相環(huán)可分別調(diào)試。設(shè)計要求輸出125 MHz，在偏離100 kHz處測量其相位噪聲，為-110.95 dBc/Hz，如圖6所示，達到了設(shè)計的要求。

圖6 偏離100 kHz的輸出相噪

5 結(jié)束語

本文首先介紹了鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)組成，之后通過對系統(tǒng)各部分模塊噪聲的線性分析，得出鎖相環(huán)電路設(shè)計過程中減小相位噪聲的手段：選擇性能良好的參考源、選擇合適的環(huán)路帶寬和良好的電路布局布線，最后通過基于LMK04031芯片設(shè)計電路的實例給出了鎖相環(huán)設(shè)計的一般性方法。

[1]張厥盛．鎖相與頻率合成技術(shù)[M]．成都：電子科技大學(xué)出版社，1995.

[2]莊卉，黃蘇華，袁國春．鎖相與頻率合成技術(shù)[M]．北京：氣象出版社，1996.

[3]Texas Instruments Inc.LMK04000 family low-noise clock jitter cleaner with Cascaded PLLs，Technical Datasheet[Z]. 2011.

[4]張濤.鎖相環(huán)頻率合成器建模、設(shè)計與實現(xiàn)[D].武漢：華中科技大學(xué)，2006.

[5]CAST.鎖相環(huán)常見問題解答[Z]．Analog Devices Inc，2013.

Design and implementation of a cascaded PLLs frequency synthesizer

Jian Chen，Wang Ziyu
（Shannxi Station of State Radio Monitoring Center，Xi′an 710299，China）

The composition structure of the phase-locked loop（PLL）is introduced，and a detailed analysis of the output phase noise generated by the various parts of the system is shown.Based on the results，a 125 MHz clock source is designed with a cascade PLLs integrated chip LMK04031，and the circuits of the loop filters are given.By debugging，the high-performance frequency source is generated.This article can provide a reference for the engineering applications of PLL frequency synthesizer.

LMK04031；PLL；frequency synthesizer；phase noise

TN742.2

：A

：1674-7720（2015）07-0039-03

2014-12-02）

簡晨（1987-），男，碩士，助理工程師，主要研究方向：頻率合成技術(shù)。

王梓宇（1982-），男，碩士，工程師，主要研究方向：無線電監(jiān)測、測向和定位，軟件無線電設(shè)計和系統(tǒng)集成。