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低相位噪声宽频带锁相频率源的设计

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引言  

频率源是现代射频和微波电子系统的心脏, 其性能直接影响整个电子系统。随着无线电技术的发展,人们提出了各种各样的频率源的设计方案。大的来分,分两类:自激振荡源和合成频率源。常见的自激振荡源有晶体振荡器、腔体振荡器、介质振荡器、压控振荡器等,虽然这些振荡源在相位噪声,频率范围,频率稳定度等技术指标上,有着这样那样的缺点,但它们是第二类高质量合成频率源的基础和依据。第二类-合成频率源,按合成方案来分主要分为三种:直接模拟式合成、锁相式合成和直接数字式合成。这些方法方案各有优缺点,但是互相结合,基本上满足了现在各种性能要求的频率源。 

设计概述  

锁相式频率源具有输出频率高,频率稳定度高、频谱纯、寄生杂波小及相位噪声低等优点。本方案就是利用小数分频的锁相环,来实现一个宽频带低噪声的频率合成器,实现0~1GHz的低噪声正弦波信号。 

0~1GHz的信号,相对带宽很宽,直接用锁相环是没法实现的,从压控振荡器的原理来讲,就根本找不到这样的一款压控振荡器。但是,结合直接模拟合成器原理,就可以找到这样一个巧妙方案。该方案可以分成四个模块来实现。如下图所示。2~3GHz信号的产生模块,本振信号(2GHz)的产生模块,混频模块和控制模块。 

通过上面的图,可以看出,通过两个锁相环路产生了两个高分辨率,低相位噪声,同相对频率稳定度的频率信号,然后,通过混频滤波来实现0~1GHz的低噪声信号。 

该设计方案种有三个注意事项: 

第一,为什么刚才说"同相对频率稳定度的频率信号"?在刚才的信号框图中,必须注意,两个产生信号的锁相环的输入参考频率必须来自一个晶振,这样把两个信号源和混频器连在一起看,就相当于一个大的锁相环,它的输出信号和输入信号的相对频率稳定度是一样的,这样,只要选择一个温度补偿型高稳定度的参考晶振,那么,最后得到的输出信号的相对频率稳定度这个指标是很不错的。
第二,为什么要选择2~3GHz与2GHz来差频?其实,选择3~4GHz与3GHz来差频,或4~5GHz与4GHz来差频,都可以,但是绝对不能2GHz以下。这个我们要分析一下,混频后输出的信号,而且这些信号是通过滤波来选取0~1GHz这个频段的信号的,其实,2GHz是一个最低的频率,设计滤波器几乎无法实现。设上面的两个PLL的输出信号分别为 f1=2.1~3.1GHz,f2=2.1GHz,并且都是正弦波,根据混频器原理,从频域来看,将产生一系列的频率:fout=mf1±nf2 ,具体输出的频率有:  
f 1-f2=0~1GHz  
f1+f2=4.2~5.2GHz 
2f2-f1=1.1~2.1GHz 
2f1-f2=2.1~4.1GHz 
f1=2.1~3.1GHz 
f2=2.1GHz 
… 

这样,在频谱上,所需的信号就被分离出来了,采用滤波器就可以选择出有用的信号了0~1GHz的信号了。   
第三,抑制小数分频器相位噪声的∑-△技术 
∑-△调制技术的原理:对信号进行取样后,噪声的功率谱幅度降低,并通过一个对输入呈低通滤波、对量化噪声呈高通滤波的噪声整型器,将量化噪声的绝大部分移到信号的频带之外,而采用取样移出的噪声不会与信号频谱叠加,从而通过简单的滤波有效的抑制。这个技术对于抑制小数分频器产生的噪声效果很好,本设计中选用的芯片CX72300就是采用这项技术的集成锁相环芯片。 

锁相环相位噪声简单分析

锁相环路的噪声来源主要有两类:一类是与信号一起进入环路的,如输入噪声和谐波,另一类是环路的部件产生的。锁相环电路的组成部件都会不同程度的引入相位噪声。具体说来,影响因素有:N分频器引起的噪声,鉴相器的噪声(与鉴相频率有关),锁相环的噪声基低和热噪声,电荷泵的噪声,压控振荡器的噪声,以及环路滤波器中电阻引起的噪声等,其中压控振荡器是内部噪声的主要来源。计算相位噪声的数学模型中考虑的因素越多,该模型越精确,但计算就越复杂。关于这一部分的论述很多,也很详细,我只简单的说一下,以下与设计关系比较大的几个影响,以便指导该设计。 

与信号一起进入环路的输入噪声和谐波,PLL环路对其起到了一个低通滤波的作用,主要参数是等效噪声带宽(B L)。压控振荡器也是噪声的一个主要来源, PLL环路对VCO引入的噪声起到了高通滤波的作用。 

要考虑锁相环芯片的噪声基底,这是选择锁相环芯片的一个参考因素。N分频器也会影响环路内的相位噪声,相位噪声随着N的变化,可以视为20lgN放大作用。电荷泵鉴相器的工作频率也会影响PLL输出相位噪声,可以用10Lg(Fcomp)来描述。 

具体模块的实现 

1.2~3GHz信号的产生模块 

该模块采用加拿大的Skyworks公司生产的单片集成锁相环路芯片CX72300来实现,它的特点是小频率间隔(可小于100Hz,由于它18位的小数分频)、低相位噪声(可达-90dbc/Hz,由于它使用了∑-△技术)和宽频带,外接环路滤波器和VCO可构成高性能宽频带锁相频率合成器。这些主要得益于18位的∑-△技术下的小数数字式低噪声分频器。CX72300合成器有一频率功率控制电路,在频率变化太快或太慢时,能帮助环路滤波器管理压控振荡器,可以加快环路捕获时间。 

此外,压控振荡器选用中国电子集团十三研究所的HE486B,它采用硅超突变结变容管调谐,频带宽,可以达2~3GHz;利用硅双极管振荡,相位噪声低,典型值为-95dBc/Hz。 

设计的参考频率是16MHz,参考分频比从132开始(2112MHz),到195(3120MHz),小数位取最大位(保证频率间隔尽可能小)。通过单片机,输入对应的控制字,那么基于cx72300的PLL就可以输出对应的频率。

2.本振信号的产生模块(2GHz) 

本设计采用了使用Analog器件公司提供的锁相环芯片ADF4113,它的最大输出频率为4GHz,噪声性能很好(PN1Hz为-217)。为了降低相位噪声,淘汰了原来的芯片ADF4360-2,虽然这款芯片内置VCO,可以让整个这一模块的设计简单很多,但是,它内置的VCO噪声性能不好,而且VCO是噪声的一个重要来源。所以,为了整体相位噪声性能,改用ADF4113,VCO从新挑选。 

另外,如上面所说,参考频率共用CX72300的参考频率,以降低相位噪声。 

环路滤波器的仍选择三阶无源低通滤波器,具体各个电容电阻大小使用公司网站上提供的仿真软件ADISimPLL来确定,这样就省了计算滤波器的元件参数,相当方便。具体如下: 

3.混频器使用Linear Technology凌特公司的有源双平衡混频器LT5512,它的RF,IF,LO工作频带宽(0.1~3GHz),相互的隔离度高,含有使能引脚可以开关芯片。输出的信号用合适的低通滤波器,把0~1GHz的信号和其它高频信号分开,就可以得到想要频率。需要注意的是该器件在本例中工作频率很高,所有涉及高频的器件必须使用贴片的,本设计中的涉及高频的电容电阻电感都使用0805封装。其他模块的电路也一样。 

4.控制电路使用了爱特梅尔(Atmel)公司的芯片AT89S51,它是Atmel公司的一款新推出的高性价比的芯片,功能相当完备,内含4K的Flash,不用扩展ROM,可以直接烧写程序使用。通过编写程序,让单片机的I/O口输出两组控制字,分别控制CX72300和ADF4113输出频率各自的频率。而且,AT89S51单片机可以在线修改程序,这样,需要那个频率,可以在现场对计算机修改对应的输入控制字,即可得到想要的频率,当然,这一部分将来也可做成一个键盘,实现人机会话。在试验阶段,我的程序让它自动的输出一系列的频点,而且,在每个频点保持一定的时间,以便观察输出信号。

结束语 

通过对PLL频率合成器的深入研究,结合使用了直接模拟式频率合成方案,本文给出了一种低噪声宽频带的高性能的频率合成器。它的输出频率0~1GHz,包括了绝大多数电子设备的频率,因此,它将作为一款多用表的频率基准。

参考文献

【1】 万心平、张厥盛、郑继禹,锁相技术,西安电子科技大学出版社,1989 
【2】 Dean Banerjee,PLL Performance、Simulation and Design,2006 
【3】 远坂俊昭 著,何希才 译,锁相环电路设计与应用,科学出版社,2006 
【4】  张冠百,锁相与频率合成技术,电子工业出版社,1989 

作者简介: 

温国谊(1981-),男,硕士研究生,主要研究方向为锁相环在频率源上的应用。 
王家礼(1942-),男,教授,博导,主要从事微波电路研究。

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