鎖相環技術解析（下）

本文轉載自： Arrow Solution微信公眾號

電路實解

1. 鑒相器

鑒相器是鎖相環路的關鍵部件。在頻率合成器中所采用的鑒相器主要有正弦波相位檢波器與脈沖取樣保持相位比較器兩種。

1) 正弦波相位檢波器這種鑒相器實際上是一個平衡混頻器，它的原理圖如下：

但是，它是一種要求平衡度比較高的檢波電路,平衡對稱性很重要。它容易形成紋波輸出，這對數字鎖相環路特別不利，因為它將使鎖相環路輸出混有雜散信號，所以數字式頻率合成器常采用下面的脈沖抽樣保持鑒相器。

2) 脈沖抽樣保持相位比較器

下圖為這種相位比較器的基本方框圖：

它有以下兩個優點：

輸出紋波電壓小

相位比較可在360°范圍內進行

首先，將參考標準頻率?r和VCO的頻率?v的電壓都形成脈沖。頻率為?r的脈沖用來控制一個開關電路，使電容Ccb產生周期性的充、放電，形成如下圖 (a) 的鋸齒形波電壓：

由于?v=?r，顯然，抽樣脈沖周期Tv與鋸齒波電壓的周期Tr是相等的。抽樣脈沖的作用是控制抽樣開關，使它在脈沖存在時接通，因而記憶電容Cd上所獲得的電壓即等于這一瞬間的鋸齒波電壓Vd。當抽樣脈沖為零時，抽樣開關斷路，Cd上既保持原充電電壓Vd，如圖（c）所示。如果VCO頻率略有變化（亦即失步時），即相當于抽樣脈沖在中心位置略有擺動，這就引起誤差電壓值Vd的變化，從而控制VCO的頻率，使之恢復到準確的數值（即恢復同步）。Vd最大的變動范圍可從Vmin到Vmax，相當于抽樣脈沖位置變動360°。實際上，鋸齒波電壓不是如圖 (a) 的理想情況（Ccb的放電時間等于零），而是有一定的放電時間的，因而鎖相范圍小于360°。

2. 電荷泵 (Charge Pump)

如下圖所示電荷泵 (Charge Pump) 示意圖：

電荷泵的的作用主要是：給鎖相環路提供理想恒定的電流源，保持良好的線性關系，使得頻率范圍易于控制。圖中電容Cp的作用主要是降低雜訊干擾。增加R2主要是保證電荷泵的穩定性。

3. 低通濾波器

下圖是低通濾波器示意圖：

圖中C4這一階的作用是進一步降低電荷泵的相位噪聲。Cp是保證瞬時特性，使得環路更好得跟蹤輸入頻率的變化。

對VCO的要求：具有高的頻譜精度；電壓頻率具有線性傳輸特性；頻率穩定；低功耗。

4. 閉環傳輸函數的計算

不同的廠家會提供不同的計算方法，下邊是一個經驗計算式。

三階：F1(s) = (1+C2R2)/ s(C2R2Cps+C2Cp)
四階：F(s) = F1/(1+C4R4s)

設Kv為VCO的增益，Kp為鑒相器的增益，α, β均取經驗值3-4。

可由下式計算：
ωc=KvKp/N.(R2C2)/(C2+Cp) 且Cp< 計算得出R2=Nωc/KvCv, C2=α/R2ωc, Cp=1/βR2ωc.

5. 下圖為鎖相環路的分頻

6. LBW及噪聲計算

LBW是鎖相環的的開環帶寬，一般來講，它是進入鑒相器參考頻率的十分之一。由上圖可知，13MHz除頻后為200KHz，計算得出LBW為20KHz，鎖相時間小于577μs。

噪聲計算如下圖：

ΦNr是參考信號的噪聲，φNθ是鑒相器帶來的噪聲，φNv是VCO帶來的噪聲
φ=KvF(s)(φNr+φNθ)/ s(1+KvF(s)/Ns) + φNθ/(1+KvF(s)/Ns)
= G(z)(φNr+φNθ) + Gr(z)φNθ
G(z)是低通傳輸函數，Gr(z)是高通傳輸函數。

典型方案介紹

1. ADI公司研制的ADF4372方案

ADF4372 結合外部環路濾波器和外部基準頻率使用時，可實現小數 N 分頻或整數 N 分頻鎖相環 (PLL) 頻率合成器。寬帶微波壓控振蕩器 (VCO) 設計允許產生 62.5 MHz 至 16 GHz 的頻率。ADF4372 具有一個集成 VCO，其基本輸出頻率范圍為 4000 MHz 至 8000 MHz。

此外，VCO 頻率連接至 1、2、4、8、16、32 或 64 分頻電路，因此用戶可以在 RF8x 上生成低至 62.5 MHz 的射頻 (RF) 輸出頻率。RF16x 上的倍頻器可生成 8 GHz 至 16 GHz 的頻率。RFAUX8x 復制 RF8x 的頻率范圍，或允許直接訪問 VCO 輸出。為了抑制不需要的倍頻產物，在倍頻器和 RF16x 的輸出級之間使用了一個諧波濾波器。

片內寄存器均通過三線式接口進行控制。ADF4372 由 3.15 V 至 3.45 V 的模擬和數字電源供電，對于 VCO 電源為 5 V。ADF4372 還包含硬件和軟件關斷模式。

優勢及特點：
RF 輸出頻率范圍：62.5 MHz 至 16,000 MHz，同時支持小數 N 頻率合成器和整數 N 頻率合成器
高分辨率，39 位小數模數
典型雜散 fPFD：?90 dBc
集成 RMS 抖動：38 fs（1 kHz 至 100 MHz）
歸一化本底相位噪聲：?234 dBc/Hz
fPFD 工作頻率達 250 MHz，基準輸入頻率達 600 MHz
可編程的 1、2、4、8、16、32 或 64 分頻輸出
RF8x 和 RFAUX8x 具有 62.5 MHz 至 8,000 MHz 的輸出，RF16x 具有 8,000 MHz 至 16,000 MHz 的輸出
鎖定時間大約為 3 ms 并進行自動校準，鎖定時間 <30 μs 并繞過自動校準（典型值）
模擬和數字電源：3.3 V（典型值），VCO 電源電壓：3.3 V 和 5 V
RF 輸出靜音功能
7 mm × 7 mm 48 端子 LGA 封裝

2. TI公司研制的LMX2820方案

LMX2820 是一款高性能寬帶合成器，可生成 45MHz 至 22.6GHz 范圍內的任何頻率。高性能 PLL 具有-236dBc/Hz 的品質因數和較高的相位檢測器頻率，可實現極低的帶內噪聲和集成抖動。高速 N 分頻器沒有預分頻器，從而顯著減少了雜散的振幅和數量。還有一個可編程輸入乘法器，用于減輕整數邊界雜散。

LMX2820 允許用戶同步多個器件的輸出，還支持在輸入和輸出之間需要確定性延遲的應用?？焖傩?a target="_blank">算法大大減少了 VCO 校準時間，支持需要快速跳頻的系統。LMX2820 可以生成或重復符合 JESD204B 標準的 SYSREF，使其可以作為高速數據轉換器的低噪聲時鐘源使用。

該合成器可搭配外部 VCO 使用，此外，還提供直接 PFD 輸入引腳，以支持偏移混合，實現低雜散傳輸。該器件由單個 3.3V 電源供電，并具有集成的LDO，無需板載低噪聲 LDO。

以上方案ARROW均有代理，被廣泛應用于多載波全球移動通信系統 (MC-GSM)、5G和毫米波無線基礎設施 、 微波回程連線 、測試和測量設備、高速數據轉換器計時、衛星通信等領域的頻率合成、時鐘產生和相位管理。同時ARROW可提供配套的底噪聲、高可靠性電源方案, 以及配套的高Q值感阻容器件，主要品牌有TI、ADI、NXP、ON、ST等。

審核編輯 黃宇