低相噪微波取樣環(huán)電路設(shè)計(jì)

作者/李維亮，中國電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所

低相噪微波取樣環(huán)電路設(shè)計(jì)

作者/李維亮，中國電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所

鎖相環(huán)作為一種頻率合成技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于本振源設(shè)計(jì)之中，本文主要介紹基于ADF4106的低相噪微波頻段取樣環(huán)設(shè)計(jì)，通過對(duì)引入噪聲機(jī)理的分析，采用反饋回路混頻降低信號(hào)噪聲的方案，通過印制板電路及試驗(yàn)結(jié)果可得到極低的相位噪聲。

低相噪；鎖相環(huán)；混頻技術(shù)

引言

隨著頻率合成技術(shù)的不斷發(fā)展，將鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)和直接數(shù)字式頻率合成技術(shù)相結(jié)合的頻率合成技術(shù)，由于兼顧了頻率分辨率、頻率切換時(shí)間、雜散、相位噪聲等指標(biāo)，得到了廣泛的應(yīng)用。

本文設(shè)計(jì)方案基于集成DDS芯片和鎖相環(huán)芯片ADF4106，使得最終的輸出頻率3GHz的相位噪聲能夠達(dá)到<-130dBc/Hz@10kHz。

1.鎖相環(huán)原理

鎖相環(huán)電路一般由參考輸入頻率源、鑒相器、低通濾波器、壓控振蕩器（VCO）和N分頻器組成，其原理框圖如圖1所示。鎖相環(huán)工作原理：當(dāng)VCO的頻率由于某種原因發(fā)生變化時(shí)，必然相應(yīng)地產(chǎn)生相位變化。

這個(gè)相位變化與參考輸入頻率源的穩(wěn)定相位進(jìn)行比較，使鑒相器輸出一個(gè)與相位誤差成比例的誤差電壓，經(jīng)過低通濾波器后，取出其中緩慢變化的的直流分量。此直流分量用于控制VCO的輸出頻率，將其拉回到穩(wěn)定值，此時(shí)稱環(huán)路處于鎖定狀態(tài)。

2.鎖相環(huán)路噪聲模型

圖2 鎖相環(huán)路噪聲模型

鎖相環(huán)的整個(gè)環(huán)路的噪聲模型如圖2所示。其中SREF表示參考輸入信號(hào)的相位噪聲的功率譜，SCP表示電荷泵引入噪聲的功率譜，SVCO表示壓控振蕩器引入噪聲的功率譜，SN表示分頻器引入噪聲的功率譜。

假設(shè)STOT表示整個(gè)環(huán)路總的噪聲的功率譜，則有以下關(guān)系式，推導(dǎo)過程見參考文獻(xiàn)[1]：

3.低相噪取樣環(huán)原理分析

圖3 取樣環(huán)原理框圖

由式（1）可得降低相噪的有效方法為降低N的值，故本文方案采用VCO輸出反饋與參考混頻的方法，此時(shí)N=1，使得VCO輸出反饋對(duì)相位噪聲的影響降到最低，基本上沒有惡化VCO的輸出相位噪聲。

借助ADsimPLL輔助計(jì)算軟件，低通濾波器設(shè)置為典型的二階濾波器，相位裕度為45度，鑒相頻率50MHz，環(huán)路帶寬20kHz，可得到其環(huán)路濾波器參數(shù)為C1=330pF，R1=432Ω，C2=33nF。

4.試驗(yàn)結(jié)果

按照?qǐng)D3的原理圖對(duì)PCB進(jìn)行設(shè)計(jì)，制版完成后對(duì)其相噪指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，使用是德科技E5052B測(cè)試可得3GHz頻率的相位噪聲為-131 dBc/Hz@10kHz，滿足指標(biāo)設(shè)定要求。

5.結(jié)語

本文通過采用DDS與鎖相環(huán)相結(jié)合的頻率合成技術(shù)，在反饋回路采取混頻方案，使得最終輸出的微波頻段頻率的相位噪聲能夠達(dá)到指標(biāo)<-130dBc/Hz@10kHz(3GHz)。為合成高相噪指標(biāo)的寬帶本振源提供了良好的取樣環(huán)電路。

＊ [1]白居憲.低噪聲頻率合成[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1995.

＊ [2]張厥盛，曹麗娜.鎖相與頻率合成技術(shù)[M].成都：電子科技大學(xué)出版社，1995.