一種微波鎖相頻率源的設計

1、 一種微波鎖相頻率源的設計A Design of Microwave PLL Frequency Source 葉利華（西科微波通訊有限公司） Ye Lihua（Chengdu Seekon Microwave Communication Company）【摘要】 本文主要介紹一種微波頻率源的設計，該源采用100MHZ恒溫晶振作為參考源，由Q3236、VCO和LF共同構成一個鎖相環(huán)路，在高至2GHZ的頻點，實現(xiàn)優(yōu)于-90dBc/Hz1KHz的相噪性能，同時具有極高的頻率穩(wěn)定度和良好的溫度穩(wěn)定性，可在廣泛范圍內用作微波信號源。關鍵詞： 鎖相環(huán) 頻率合成器 相位噪聲 頻率穩(wěn)定度Abstract：

2、In this paper, the design of a frequency source was presented, in which a 100MHZ constant-temperature crystal oscillator acting as a reference source. Q3236,VCO and LF all together compose a phase locked loop. At the hign frequency up to 2GHZ,the sources phase noise can be better than -90dBc/HZ1KHZ,

3、 in addition to this, it has hign frequency stability and temperature stability at the same time, which is hopeful to be used as microwave signal source in extensive areas.Key words: Phase-Locked Loop Frequency Synthesizer Phase Noise Frequency Stability1.引言微波信號源作為一個微波系統(tǒng)的關鍵部件之一，它從很大程度上決定和制約著系統(tǒng)的性能。信號

4、源質量的改善，將相應地提高整個系統(tǒng)的噪聲性能。鎖相環(huán)頻率源作為微波固態(tài)源的一種，它具有頻率穩(wěn)定度高、相位噪聲低、無寄生輸出、頻率建立快及易于集成的特點。因此，它在雷達、通信、遙控遙測、電視廣播和電子測量儀器等領域已得到廣泛的應用。鎖相的意義就是相位同步的自動控制。能夠完成兩個電信號相位同步的自動控制閉環(huán)系統(tǒng)叫做鎖相環(huán)(Phase-Locked Loop)，簡稱PLL。鎖相環(huán)路是一個相位負反饋控制系統(tǒng),它由鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LF)和壓控振蕩器(VCO)三個基本部件組成。如圖所示：鎖相環(huán)的基本功能是跟蹤輸入信號的相位。這一功能是由鑒相器產(chǎn)生一個與輸入信號和vco信號相位差成比例的電壓而完

5、成的。這個相位誤差電壓通過低通濾波器,在那里抑制了噪聲和高頻信號成份，并幫助決定環(huán)路的動態(tài)性能。經(jīng)濾波后的相位誤差電壓調制vco頻率，重新在鑒相器中與輸入信號比較。產(chǎn)生的任何誤差電壓通過環(huán)路濾波器，調制vco頻率，直到vco以固定的相位關系鎖住輸入信號。鎖相環(huán)通過跟蹤輸入信號的相位，實現(xiàn)了頻率同步和頻率跟蹤。 壓控振蕩器的輸出接至鑒相器的一個輸入端，其輸出頻率的高低由低通濾波器上建立起來的平均電壓大小決定。施加于鑒相器另一個輸入端的外部輸入信號與來自壓控振蕩器的輸出信號相比較，比較結果產(chǎn)生的誤差輸出電壓正比于外部輸入和壓控振蕩器的輸出兩個信號的相位差，經(jīng)過低通濾波器濾除高頻分量后，得到一個平均

6、值電壓。這個平均值電壓朝著減小VCO輸出信號頻率和外部輸入信號頻率之差的方向變化，直至VCO輸出頻率和輸入信號頻率獲得一致。這時兩個信號的頻率相同，兩信號相位差保持恒定（即同步）即實現(xiàn)了鎖相。當鎖相環(huán)入鎖時，它還具有“捕捉”信號的能力，VCO可在某一范圍內自動跟蹤輸入信號的變化。如果輸入信號頻率在鎖相環(huán)的捕捉范圍內發(fā)生變化，鎖相環(huán)能捕捉到輸人信號頻率，并強迫VCO鎖定在這個頻率上。鎖相環(huán)應用非常靈活，如果輸入信號頻率f1不等于VCO輸出信號頻率f2，而要求兩者保持一定的關系，例如比例關系或差值關系，則可以在外部加入一個運算器，以滿足不同工作的需要。例如，一個帶N分頻的鎖相環(huán)路，它實現(xiàn)了由一個高

7、性能低頻率的參考源 N倍頻到，由于鎖相環(huán)路的優(yōu)勢，使得輸出信號N，頻率可以很高，同時相噪性能很好，頻率穩(wěn)定度和頻率準確度高，且不存在寄生輸出問題。（但它存在泄漏問題）。另外，通過改變N，可以很方便地改變輸出頻率。 帶N分頻的鎖相環(huán)如下圖所示：2.鎖相頻率源的設計與實現(xiàn)（1）、關于Q3236設計中選用Qualcomm公司的高性能鎖相環(huán)頻率合成器芯片Q3236作為鑒相器和反饋回路上的N分頻器，并實現(xiàn)對參考頻率的分頻。Q3236相噪極低，鑒相頻率為1MHZ時，其相位噪聲低達-154dBc/Hz100Hz，鑒相輸入頻率高達2GHz，具有低功耗（小于0.6W）、高鑒相靈敏度（302mv/Rad），內置可

8、編程分頻器等特點。通過對其內部分頻器的編程，可實現(xiàn)輸出頻率步進。Q3236帶有失鎖指示，由單一+5V供電，它有寬的輸入信號強度范圍：-10dBm至+3.5dBm。它包含了構成鎖相環(huán)頻率源所需的除VCO、LPF以外的其它所有基本單元。應用頻段從UHF一直到L波段。如下圖所示，為使用Q3236構成鎖相環(huán)頻率源的基本結構框圖。大的虛線框內為Q3236的內部功能模塊，小的虛線框內為對VCO反饋回來的信號的分頻，以使輸入到鑒相器的反饋信號Fvco/N與經(jīng)過R分頻的參考輸入信號同頻。通過環(huán)路的捕捉功能，使環(huán)路鎖定在Fvco (FvcoN*Fpd=N*Fin/R)上。由于可變分頻器的輸入頻率受到限制，一般很

9、難做到太高，所以，為了提高鑒相器的輸入頻率，Q3236在可變分頻器之前有一個高速雙模予分頻器（即圖中的÷10/11予分頻器），這樣使得其鑒相輸入頻率提高到2GHZ以上。在予分頻器和可變分頻器都有效的情況下，總的VCO分頻比為N：N = FVCO/FPD= 10 * (M + 1) + A,（ A M + 1, M 0）通過數(shù)字接口對Q3236進行編程，可以改變可變分頻器的分頻比M，從而改變總得VCO分頻比N，進而改變輸出信號FVCO的頻率（假定參考頻率不變）。 （2）、基于相噪性能考慮的鑒相頻率的選擇 使用Q3236設計鎖相頻率源時，要注意鑒相頻率的選取，因為鑒相頻率不同，相應當Q3

10、236貢獻的噪聲水平也大不一樣，Q3236鑒相頻率從0.25MHZ升至100MHZ時，其相位噪聲基底從-154dBc/HZ逐漸惡化到-122dBc/HZ。因此，為了在輸出端得到比較好的相噪性能，鑒相頻率不能取得太高。如下頁圖所示： 但是，鑒相頻率也不是越低越好，因為從整體來看，Q3236實現(xiàn)了從FPD到Fvco的N倍頻；而伴隨著倍頻過程的是信號相噪性能的惡化，惡化程度為20log10N（dB）。NFvco/FPD，鑒相頻率越低，N越大，惡化程度越大。所以，鑒相頻率的選取要綜合考慮這兩方面的影響。輸出頻率已知為2000MHZ，通過計算和比較得知，取鑒相頻率為20MHZ時，輸出信號的理論相噪值為-

11、96dBc/Hz1KHz,-97dBc/Hz10KHz和-89dBc/Hz100Hz，輸出信號可能達到的相噪性能達到最佳。實際的設計中應該留有一定的裕量，因為實際是很難達到理論最佳值的。（3）、環(huán)路濾波器的選擇PLL頻率源的設計，其主要工作就是正確選擇和設計環(huán)路濾波器(LF)，使頻率合成器指標在相位噪聲、雜散抑制、跳頻速度和穩(wěn)定性等方面合理兼顧，實現(xiàn)綜合性能最佳。實際設計中鎖相環(huán)采用二階環(huán)，環(huán)路濾波器采用有源比例積分濾波器，構成二階二型環(huán)，如下圖所示：環(huán)路濾波器的傳遞涵數(shù)為： 其中，T1=R1*C T2=R2*C整個二階二型鎖相環(huán)的相位傳遞函數(shù)為：， 用標準形式可寫為：其中， ，。KV為VCO

12、的壓控靈敏度，K為鑒相靈敏度，N為環(huán)路分頻比，n為自然諧振頻率，為阻尼系數(shù)。n，決定環(huán)路噪聲性能、穩(wěn)定性、環(huán)路入鎖時間，通過合理選擇其值，可使環(huán)路達到最佳性能。（4）、實際電路Fout=2000MHZ Fref=100MHZ Fpd=20MHZ R= (Fref/ Fpd)-1=4 N= Fout/ Fpd=100由于N10*（M+1）+A （A M + 1, M 0），所以M9，A0故電路原理圖為：3.鎖相頻率源設計的擴展、改善的探討（1）、功能的擴展通過在反饋回路上加固定分頻的外置予分頻器，可以將輸出頻率的最大值從2GHZ提高至15GHZ以上。 （2）、關于電磁兼容性方面的相關考慮良好的電

13、磁兼容EMC設計將有助于提高系統(tǒng)的性能，改善其穩(wěn)定性、相噪性能、雜散抑制、諧波抑制、頻率穩(wěn)定度、入鎖時間等指標。為了達到良好的電磁兼容設計，我們可以在元件的選擇和電路設計方面采取以下措施：電子元件有兩種：有引腳的元件和無引腳的元件。有引腳的元件有寄生效果，產(chǎn)生寄生電感，大約是1nH/mm，引腳的末端還產(chǎn)生一個電容效應，大約為4pF。而無引腳表面貼裝的元件的寄生效果要小的多，典型值為0.5 nH的寄生電感和0.3pF的終端電容。所以，就消除寄生效應來說，高頻時應盡量使用表貼元件，其封裝越小越好。1、電阻有引腳的電阻，應首選碳膜電阻，其次是金屬膜電阻，最后是線繞電阻。線繞電阻有很強的電感特性，因此

14、在對頻率敏感的應用中不能用它，它最適合用在大功率處理的電路中在放大器的設計中，電阻的選擇很重要。在高頻環(huán)境下，電阻的阻抗會因為其電感效應而增加。因此，增益控制電阻的位置應盡可能的靠近放大器電路以減少電路板的電感。在上拉下拉電阻的電路中，晶體管或集成電路的快速切換會增加上升時間。為了減小這個影響，所有的偏置電阻應該盡可能靠近有源器件及它的電源和地，從而減少PCB連線的電感。在穩(wěn)壓和參考電路中，直流偏置電阻應盡可能靠近有源器件以改善瞬態(tài)響應時間。2、電容電容的種類很多，常見的有鋁質電解電容、鉭電容、陶質電容和云母電容等。鋁質電解電容通常是在絕緣薄層之間以螺旋狀纏繞金屬箔制成，這樣可在單位體積內得到

15、較大的電容值，但其內部電感較大。鉭電容由一塊帶直板和引腳連接點的絕緣體制成。陶質電容是在陶瓷絕緣體中包含多個平行的金屬片。其主要寄生為片結構的感抗，這通常在低于MHZ的區(qū)域造成阻抗。絕緣材料的不同導致不同的頻響特性，從而使得一種類型的電容會比另一種更適合與某種場合。鋁電解電容和鉭電解電容更適合于低頻終端，主要是低頻濾波器。陶質電容適合于從KHZ到MHZ的中頻范圍，常用于去耦電路和高頻濾波。特殊的低損耗陶質電容和云母電容則適合于甚高頻電路和微波電路。另外，電容具有低的ESR（Equivalent Series Resistance）等效串聯(lián)電阻是很重要的，因為它會對信號造成大的衰減，尤其是應用頻

16、率接近電容諧振頻率時。電容的一個重要應用就是用作旁路電容。旁路電容的主要功能是產(chǎn)生一個交流分路，從而消去進入易感區(qū)的那些不需要的能量（雜散和干擾信號）。旁路電容一般作為高頻旁路器件來減小對電源模塊的瞬態(tài)電流需求。鋁電解電容和鉭電解電容比較適合作旁路電容，其值取決與PCB板上的瞬態(tài)電流需求，一般在10到470uF范圍內。電容的另一個重要作用就是去耦。有源器件在開關是產(chǎn)生的高頻開關噪聲將沿著電源線傳播。去耦電容的主要功能就是提供一個局部的直流電源給有源器件，以減少開關噪聲在板上的傳播和將噪聲引導到地。實際上，旁路電容和去耦電容都應該盡可能放在靠近電源輸入處以幫助濾出高頻噪聲。去耦電容的取值大約是旁

17、路電容的1/1000到1/100，它應盡可能的靠近每個集成塊，以免布線阻抗減小去耦電容的效力。陶瓷電容常用于去耦，其值取決于最快信號的上升和下降時間。例如，對于33MHZ的信號，可使用4.7nF到100nF的電容；而對于100MHZ的信號，可使用10nF的電容。去耦電容的ESR值一般應低于1歐姆。電容除電容值以外，還有一個參數(shù)：諧振頻率。電容在低于諧振頻率時呈現(xiàn)容性，在高于諧振頻率時呈現(xiàn)感性（因為引線長度或布線自感）。為了達到良好的去耦效果，常將多個去耦電容并聯(lián)。這樣能提供6dB的增益以抑制有源器件開關造成的射頻電流。多個去耦電容并聯(lián)，不僅能提供更寬的頻譜范圍，而且能提供更寬的布線以減小布線自

18、感，因此也就能更有效的去耦。兩個電容的取值應相差兩個數(shù)量級以提供更有效的去耦（如0.1uF和0.001uF并聯(lián)）。數(shù)字電路的去耦中，低的ESR比諧振頻率更重要。它可以提供更低阻抗的到地通路。3、電感電感有開環(huán)電感和閉環(huán)電感兩種，開環(huán)電感的磁場通過空氣閉合，閉環(huán)電感的磁場通過磁芯閉合。電感沒有寄生感抗，因此，表貼型和引線型沒有什么差別。電感的磁芯材料主要有兩種：鐵和鐵氧體。鐵磁芯電感用于低頻（幾十KHZ）場合，而鐵氧體磁芯電感用于高頻場合（高至MHZ）。在EMC的特殊應用中，有兩類特殊的電感：鐵氧體磁珠和鐵氧體夾。鐵氧體磁珠是單環(huán)電感，通常，單股導線穿過鐵氧體型材而形成單環(huán)。這種器件在高頻的衰減為10dB，而直流的衰減量很小。類似與鐵氧體磁珠，鐵氧體夾在高達MHZ的頻率范圍內的共模和差模衰減可達到10dB至20dB。在DC-DC變換中，電感必須能夠承受高飽和電流，并且輻射小，繞軸式電感具有滿足該應用要求的特性。