集成VCO的低成本PLL支持紧凑型LO解决方案

作者：James Lee，市场开发工程师；Paul Taylor，产品经理，ADI 公司
新兴的 PLL + VCO (集成电压控制振荡器的锁相环)技术能够针对蜂窝 /4F、微波无线电及 25 MHz 到 13.6 GHz 的军事应用快速开发低相位噪声频率合成器解决方案。

蜂窝 /4G、微波无线电、测试设备和军事子系统应用的无线电设计人员依赖高质量本振(LO)来实现低 BER(误码率)、低杂散输出和低相位噪声的系统级目标。 所有的 RF 和微波通信和传感器系统，无论是基于模拟还是数字调制，都需要干净的 LO 信号源；无线电的容量越高，对 LO 信号的要求就越高。 有许多不同架构可用，但产生稳定 LO 源的最常用方法之一是将低相位噪声电压控制振荡器(VCO)和稳定基准电压及锁相环(PLL)组合构成频率合成器。 不过，寻求最佳 LO 性能的设计人员必然会面临 PLL/ 频率合成器、VCO、电荷泵及环路滤波器之间交互的诸多相关挑战，更不用说由于电路板布局和不良电源噪声所带来的问题。 ADI 的核心专长是在频率生成元件方面，例如 MMIC VCO、锁相振荡器(PLO)、低噪声预分频器、鉴频鉴相器(PFD)和一系列 RF 输入频率达 13.6 GHz 的双模式(小数 / 整数) PLL/ 频率合成器 IC。 表 1 和 2 中列出了业界领先的 ADI 集成 VCO 的 PLL 产品。 这些集成 VCO 的 PLL 产品涵盖从 25 MHz 到 13.6 GHz 的 RF 和微波频率。

表 1. ADI 公司集成 VCO 的 PLL 性能总结

图 1. ADI 集成 VCO 的 PLL 产品功能框图和典型应用电路。

如图 1 的功能框图所示，这些产品采用标准 5 mm × 5 mm 和 6 mm × 6 mm QFN 塑料封装实现了高级小数 -N 频率合成器和超低噪声 VCO；这种高水平的集成最大程度地减少了外部元件数。 设计针对超低相位噪声商业和军事应用，包括一个极低噪声鉴频鉴相器(PFD)、一个精密控制电荷泵和一个提供超精细频率步进的高级调制器设计。 架构具有超低近载波相位噪声和低杂散，可实现较宽环路带宽以及更快的跳频和低颤噪；杂散输出足够低，因此在许多应用中不再需要价格昂贵的直接数字频率合成(DDS)基准电压源。 适合 RF 市场应用的集成 VCO 的 PLL 该系列的每一个产品都组合了高性能小数 -N PLL/ 频率合成器和完全集成低噪声 VCO 的功能。 适合 RF 应用的集成 VCO 的 PLL 架构使得高性能 VCO 可实现五伏以下电压调谐(参见图 2)。 环路滤波器中不再需要运算放大器，节省了成本和电路板空间，同时改善了性能。 集成 VCO 的 PLL 可以在一个极限温度下锁定，之后无需重新锁定或重新校准即可在整个温度范围内工作；该功能是高可靠性应用中所需要的，但是在一些竞争性解决方案中并未提供该功能。

图 2. 集成 VCO 的 PLL HMC830LP6GE 的调谐电压与频率的关系。

图 3. 集成 VCO 的 PLL HMC830LP6GE 的 SSB 相位噪声与偏移频率的关系。

如图 3 所示，这些器件具有出色的相位噪声性能，无论就带内还是远离躁底而言通常都优于竞争性器件 10 dB，而且全部无需在低杂散或低噪声模式间进行选择。 100 Hz 至 1 MHz 范围内的集成噪声通常为–55 dBc，等效于 0.1°的 rms 抖动，或者 FOUT = 1 GHz 时 278 fs rms。

图 4. 最差杂散，固定 50 Mhz 基准，输出频率= 2 GHz。

如图 4 所示，HMC830LP6GE 与替代集成解决方案相比有明显改善。
HMC830LP6GE 频带边沿处的温度范围性能稳定，确保不会出现“压差”。

例如，HMC830LP6GE 在大于 20 MHz 的偏移频率下产生大约 5 dB 近载波相位噪声和 7 dB 相位躁底，与 TI LMX2581 相比，这两个值都比较低。 此外，HMC830LP6GE 还提供优越的杂散性能，在整个频段的小数杂散低很多，整个频谱输出更干净。

ADF5355 集成 VCO 的 PLL 涵盖同类最宽的频谱 55 MHz 至 13.6 GHz，而 ADF4355-2 的频率范围是 55 MHz 至 4.4 GHz。

ADF5355 和 ADF4355-2 采用新型 VCO 拓扑和架构，并在开发过程中利用 ADI 新近获得专利的先进 SiGe-BiCMOS 工艺，因而具有出色的 VCO 相位噪声性能。

两款器件都集成了超低相位噪声 VCO，对于 ADF4344-2 而言在 3.4 GHz 下产生–138 dBc/Hz（1 MHz 失调）相位噪声，而 ADF5355 在 6.8 GHz 下产生–132 dBc/Hz（1 MHz 失调）相位噪声。 在超宽带宽 RF 和微波通信应用中，该超低相位噪声具有改善整体系统误码率并提升数据吞吐速率的优势，可提供更佳的抗噪能力和更宽的动态范围。 ADI 最新的高性价比、超宽带宽 PLL 频率合成器 IC 还具有高达 125 MHz 相位比较器频率和 38 位分辨率，可降低抖动并允许极为精细的步进大小，而相比分立式 GaAs 部署方案，采用高级 BiCMOS 工艺的集成式 PLL 和 VCO 可大幅降低封装尺寸和功耗。 另外，由于单个 PLL 频率合成器的工作频率可在 55 MHz 至 13.6 GHz 范围内配置，因此设计人员可更为快速地对他们的系统设计进行重新配置，并减少器件库存，同时依然支持多频段。

适合微波市场应用的集成 VCO 的 PLL
集成 VCO 的 PLL HMC764LP6CE 已针对窄带、高性能的微波通信应用进行了优化。 ADI 公司在业界率先推出频率高于 6 GHz 的集成 PLL 和 VCO。 这些产品除了提供 ADI 出色的微波 VCO 性能之外，还增加了集成式高级小数频率合成器的功能。 典型应用包括微波和毫米波无线电、工业 / 医疗测试设备、军事通信、电子战(EW)和电子对抗(ECM)子系统。

图 5. 集成 VCO 的 PLL HMC764LP6CE 的调谐灵敏度和 RF 输出功率与输出频率的关系。

如图 5 所示，HMC764LP6CE 在其带宽内具有稳定的调谐敏感度和高达 16 dBm 的输出功率，因而非常适合直接驱动许多 ADI 高线性度、双平衡和 I/Q 混频器以及上变频和下变频产品的 LO 部分。

图 6. 集成 VCO 的 PLL HMC764LP6CE 的 SSB 相位噪声与偏移频率的关系。

图 6 显示，对于低、中和高频范围，HMC764LP6CE 卓越的单边带(SSB)相位噪声性能与偏移频率的关系。 测量该数据时参考频率为 50 MHz，环路带宽为 100 kHz，而且 PFD 的比较频率为 50 MHz。 由于采用单芯片结构，在温度范围内及机械冲击条件下，相位噪声性能也很稳定。 此外，内置 FSK 模式使得器件可用作简单的低成本直接 FM 发射源。

图 7. 集成 VCO 的 PLL 评估 PCB，包含在各设计人员套件中。

即使具有这样的高级功能和高集成度，开发高性能可编程本振仍需要大量设计时间。 因此，ADI 开发出集成 VCO 的 PLL 参考设计人员套件，从而可以立即测量手头设计。

图 7 所示典型评估 PCB 是简单易用的通用评估套件的一部分，它可以最大程度缩短设计时间，便于快速进行原型开发。 参考设计人员套件包括一个板载参考振荡器和若干稳压器，且支持通用环路滤波器配置。 利用附带的软件，用户可以进行 PLL 编程以及访问其高级功能。 完整操作指南提供逐步说明，方便用户完成快速上电并初始化评估板。 本指南全面论述了评估板内使用的元件，涵盖针对外部基准电压重新配置评估板，以及实施板载可选择顺序无源或有源环路滤波器等主题。

各个参考设计人员套件均包含 ADI 专有的 ADIsimPLL 设计工具，用户可以根据自己的特定应用定制标准评估 PCB 环路滤波器。 提供全面的基于 PC 的 PLL 控制软件，可以经由 USB 接口用 PC 兼容寄存器文件对 PLL 进行编程。 用户仅用一台 PC、一台信号分析仪及若干直流电源，即可在非常短的时间内对完全锁定的本振进行评估。 ADI 公司技术熟练的应用工程师团队也可帮助客户快速熟悉这款独特的产品。

ADI 集成 VCO 的 PLL 产品将低相位噪声、高级功能及超小尺寸组合在一起，是微波 / 毫米波无线电、测试设备、微波传感器、光纤通信以及军事通信和传感器等许多小尺寸应用的理想之选。

混合型频率合成器通常采用玻璃纤维基板材料，具有一个分立式 VCO、一个大型谐振器和一个金属冲压盖。 该装配技术会在用户系统中造成和 RF 接地有关的问题，还会产生令人讨厌的电气和颤噪耦合效应。 与分立式混合型频率合成器 /VCO 配置相比，ADI 集成式频率生成解决方案有助于设计人员实现稳定性能、高可靠性及小尺寸的目标。 与大型混合设计相比，ADI 集成 VCO 的 PLL 的谐振器也小很多，因而具有出色的颤噪性能。 这些集成 VCO 的 PLL 产品采用符合 RoHS 标准的 QFN 无引脚封装，非常适合高速大批量 SMT 装配线。