基于 HMC833LP6GE 頻率源設(shè)計(jì)

龔偉

本文介紹了一種雜散小、相位噪聲好、頻率調(diào)整步進(jìn)小以及高穩(wěn)定度的頻率合成器的設(shè)計(jì)方法，選用了 ADI 公司的HMC833 鎖相環(huán)芯片進(jìn)行頻率源設(shè)計(jì)。

頻率源在現(xiàn)代通信中是重要組成的部分。其模塊的指標(biāo)直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能。許多人對(duì)高性能的頻率源，做了深入研究，本文應(yīng)用 ADI 公司的 HMC833LP6GE 芯片，設(shè)計(jì)出了高性能、高穩(wěn)定度和高精度的本振源。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

技術(shù)指標(biāo)：

頻率范圍：4.8 ～5.8 GHz

相位噪聲：≤-95 dBc/Hz@100 kHz，≤-110 dBc/Hz@1 MHz

雜散抑制： ≤-70 dBc

頻率步進(jìn)：1 KHz

輸出功率：0～10 dBm

關(guān)鍵器件選型

鑒相器

HMC833LP6GE 是一種低噪聲，超寬帶的分?jǐn)?shù)鎖相環(huán)，此芯片特點(diǎn)是集成電壓控制振器，芯片基頻 1 500 ～3 000 MHz，但芯片內(nèi)部集成 VCO 的除法器（除以 1/2/4..62）和倍頻器，可使芯片最終輸出頻率范圍為 25 ～6 000 MHz，其輸出頻率符合此設(shè)計(jì)的頻點(diǎn)需求。此芯片在現(xiàn)有芯片中有著優(yōu)異的相位噪聲和雜散性能。這款芯片噪聲性能優(yōu)異，相位噪聲小于 -180dBc/Hz，從而在設(shè)計(jì)本振源中得到廣泛的應(yīng)用。在頻率源中，影響環(huán)路帶寬以內(nèi)的相位噪聲主要是參考信號(hào)質(zhì)量和HMC833 芯片內(nèi)部噪聲。壓控振蕩器輸出的噪聲影響著環(huán)路帶寬以外的相位噪聲。

恒溫晶振

參考信號(hào)的相噪優(yōu)異直接影響著整個(gè)產(chǎn)品輸出信號(hào)的相噪。因此在評(píng)估方案時(shí)選擇用恒溫晶振作為參考信號(hào)，這樣能夠最大程度上避免由于溫度變化或其他原因造成晶體振蕩器產(chǎn)生溫漂問(wèn)題。因?yàn)楹銣鼐д竦奶匦允顾軌蜷L(zhǎng)時(shí)間不受溫度影響而穩(wěn)定，具有輸出頻點(diǎn)精確度高、輸出信號(hào)相噪優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，其恒溫晶振憑借著高指標(biāo)，價(jià)格相比其他型號(hào)晶振稍微貴些，但是在實(shí)際工程中更加偏向于其產(chǎn)品指標(biāo)。

為了使設(shè)計(jì)呈現(xiàn)最佳效果，本文對(duì)多款恒溫晶振（OCXO）進(jìn)行研究，最終發(fā)現(xiàn)一款來(lái)自國(guó)內(nèi)某廠商的 100 MHz 恒溫晶振。其不僅頻率精確度和相位噪聲的指標(biāo)處于較理想狀態(tài)，而且體積也較小，符合設(shè)計(jì)需求。該恒溫晶振的供電電壓為 8V，啟動(dòng)電流小于 500 mA，穩(wěn)定后電流約為 120 mA。圖 2 給出了該恒溫晶振在穩(wěn)定后輸出測(cè)試結(jié)果，可以看出此器件相位噪聲十分優(yōu)異，在偏離載波頻率為 100 kHz 處大約為-160 dBc/Hz。該 100 MHz 參考信號(hào)的波形為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，諧波分量較小。

關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)

在本振信號(hào)源設(shè)計(jì)時(shí)，環(huán)路濾波器是必不可少的一部分。它主要作用是可以優(yōu)化整個(gè)電路的特性指標(biāo)，不僅可以降低晶振和 HMC833 芯片所帶來(lái)的噪聲還可以濾掉載頻上的分量，還能優(yōu)化 VCO 的噪聲。

利用了 ADI 公司的 ADISIMPLL 軟件可選擇最佳環(huán)路帶寬，該軟件能夠顯示出仿真后的相位噪聲，在實(shí)際調(diào)試中有一定的借鑒意義，并可以分析出環(huán)路特性等。如圖 3 所示。

測(cè)試結(jié)果

本次測(cè)試環(huán)境使用了羅德與施瓦茨公司出品的頻譜分析儀 FSV40，該儀器的測(cè)試范圍為 10 Hz～40 GHz，所測(cè)試頻率在此范圍內(nèi)。在測(cè)試時(shí)需要注意保持測(cè)試環(huán)境符合設(shè)備正常使用的范圍，所有參與測(cè)試的陪測(cè)設(shè)備和測(cè)量?jī)x器均工作正常，屬于必須要校準(zhǔn)的設(shè)備處于已校準(zhǔn)狀態(tài)，如圖 4 ～ 圖 6 所示。

由圖 5 可見，雜散抑制是 70 dBc，此數(shù)值對(duì)于所應(yīng)達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)要求而言是較為符合的。從圖 6 可以看出相位噪聲，95 dBc/Hz@100 kHz，≤-105 dBc/Hz@1 MHz，相位噪聲略差于技術(shù)指標(biāo)，但不影響其產(chǎn)品性能使用。

本方案應(yīng)用 ADI 公司的 HMC833 鑒相器芯片設(shè)計(jì)出相位噪聲小于 -105 dBc/Hz@1 MHz，雜散抑制 73 dBc 的一款產(chǎn)品。有一定的實(shí)際工程意義。