基于 HMC833LP6GE 頻率源設計

龔偉

本文介紹了一種雜散小、相位噪聲好、頻率調整步進小以及高穩定度的頻率合成器的設計方法，選用了 ADI 公司的HMC833 鎖相環芯片進行頻率源設計。

頻率源在現代通信中是重要組成的部分。其模塊的指標直接影響到整個系統的性能。許多人對高性能的頻率源，做了深入研究，本文應用 ADI 公司的 HMC833LP6GE 芯片，設計出了高性能、高穩定度和高精度的本振源。

系統設計方案

技術指標：

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：1 KHz

輸出功率：0～10 dBm

關鍵器件選型

鑒相器

HMC833LP6GE 是一種低噪聲，超寬帶的分數鎖相環，此芯片特點是集成電壓控制振器，芯片基頻 1 500 ～3 000 MHz，但芯片內部集成 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計的頻點需求。此芯片在現有芯片中有著優異的相位噪聲和雜散性能。這款芯片噪聲性能優異，相位噪聲小于 -180dBc/Hz，從而在設計本振源中得到廣泛的應用。在頻率源中，影響環路帶寬以內的相位噪聲主要是參考信號質量和HMC833 芯片內部噪聲。壓控振蕩器輸出的噪聲影響著環路帶寬以外的相位噪聲。

恒溫晶振

參考信號的相噪優異直接影響著整個產品輸出信號的相噪。因此在評估方案時選擇用恒溫晶振作為參考信號，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生溫漂問題。因為恒溫晶振的特性使它能夠長時間不受溫度影響而穩定，具有輸出頻點精確度高、輸出信號相噪優異等優點，其恒溫晶振憑借著高指標，價格相比其他型號晶振稍微貴些，但是在實際工程中更加偏向于其產品指標。

為了使設計呈現最佳效果，本文對多款恒溫晶振（OCXO）進行研究，最終發現一款來自國內某廠商的 100 MHz 恒溫晶振。其不僅頻率精確度和相位噪聲的指標處于較理想狀態，而且體積也較小，符合設計需求。該恒溫晶振的供電電壓為 8V，啟動電流小于 500 mA，穩定后電流約為 120 mA。圖 2 給出了該恒溫晶振在穩定后輸出測試結果，可以看出此器件相位噪聲十分優異，在偏離載波頻率為 100 kHz 處大約為-160 dBc/Hz。該 100 MHz 參考信號的波形為標準的正弦波，諧波分量較小。

關鍵電路設計

在本振信號源設計時，環路濾波器是必不可少的一部分。它主要作用是可以優化整個電路的特性指標，不僅可以降低晶振和 HMC833 芯片所帶來的噪聲還可以濾掉載頻上的分量，還能優化 VCO 的噪聲。

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

測試結果

本次測試環境使用了羅德與施瓦茨公司出品的頻譜分析儀 FSV40，該儀器的測試范圍為 10 Hz～40 GHz，所測試頻率在此范圍內。在測試時需要注意保持測試環境符合設備正常使用的范圍，所有參與測試的陪測設備和測量儀器均工作正常，屬于必須要校準的設備處于已校準狀態，如圖 4 ～ 圖 6 所示。

由圖 5 可見，雜散抑制是 70 dBc，此數值對于所應達到的技術指標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指標，但不影響其產品性能使用。

本方案應用 ADI 公司的 HMC833 鑒相器芯片設計出相位噪聲小于 -105 dBc/Hz@1 MHz，雜散抑制 73 dBc 的一款產品。有一定的實際工程意義。