低功耗低噪聲寬帶鎖相環(huán)頻率綜合器設(shè)計

文/張文寶 唐民

1 鎖相環(huán)技術(shù)及頻率綜合器簡介

1.1 頻率發(fā)射其及其使用技術(shù)

頻率綜合是指通過將少量具有穩(wěn)定頻率的線路進行頻率域的計算和結(jié)合，使之成為具有相同穩(wěn)定程度、但總量更大頻率的一種技術(shù)手段。這種技術(shù)作為頻率綜合器的基本原理，使得頻率綜合器在現(xiàn)代電子系統(tǒng)發(fā)射機中充當著重要的作用。

現(xiàn)階段，頻率綜合器的頻率合成工作主要通過以下幾種技術(shù)完成：

1.1.1 直接頻率合成技術(shù)

直接頻率合成技術(shù)，顧名思義，就是指通過直接采樣產(chǎn)生波形，實現(xiàn)保持穩(wěn)定性基礎(chǔ)上頻率量的提升。DDS技術(shù)具有頻率感應(yīng)時間快、相位穩(wěn)定且連貫性好等優(yōu)點，但也有輸出受外界干擾大、進行信號輸出時頻率范圍小等缺點。

1.1.2 鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)

鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)能夠通過鎖相技術(shù)實現(xiàn)各段小頻率的隨意計算結(jié)合，從而達到頻率總量增加的目的。鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)能夠在較低的成本范圍內(nèi)進行隨意頻率量的合成，但是鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)在進行頻率合成時，系統(tǒng)反應(yīng)較慢。

1.1.3 將直接頻率合成技術(shù)與鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)二者結(jié)合

這種DDS技術(shù)+PLL技術(shù)綜合，實現(xiàn)了二者優(yōu)點的有效融合，從而使得頻率綜合器能夠?qū)Ω鼮閺V泛頻率進行合成，但是也保留了二者的缺點，使得其在某些發(fā)射臺使用受到了限制。

1.2 寬帶鎖相環(huán)工作原理

鎖相環(huán)是一種閉環(huán)的電路線路，利用鎖相環(huán)進行信號的追蹤時，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、無頻率差的追蹤，最大程度的保證追蹤信號的準確度。鎖相環(huán)主要由鑒相器、環(huán)路濾波器以及壓控振蕩器三個部分組成。鑒相器能夠?qū)崿F(xiàn)輸入信號以及鎖相環(huán)輸出信號的相位比較，產(chǎn)生基于兩者相位誤差的電壓，從而使環(huán)路濾波器能夠?qū)Χ咝盘栒`差的程度進行分析以及后續(xù)誤差的消除；環(huán)路濾波器作為鎖相環(huán)的中間部分，能夠有效消除由鑒相器比對后產(chǎn)生的誤差，使環(huán)路工作性能滿足工作要求，達到環(huán)路穩(wěn)定性提升的目的；壓控振蕩器的工作受到環(huán)路濾波器的輸出電壓控制，能夠保證其輸出信號和鑒相器輸入信號二者貼合，最大程度的減少頻率差，最終實現(xiàn)鎖相環(huán)工作環(huán)路的穩(wěn)定。

現(xiàn)階段，利用鎖相環(huán)技術(shù)而工作的頻率綜合器，能夠有效地進行頻率的切換以及頻率的合成。這不僅提升了無線通信系統(tǒng)的啟動工作速度和信號傳輸速度，還實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸速度的提升以及信息保護能力的提高。

2 寬帶鎖相環(huán)頻率綜合器的低功耗、低噪聲研究

2.1 寬帶鎖相環(huán)頻率綜合器產(chǎn)生毛刺噪聲的原因

在寬帶鎖相環(huán)頻率綜合器進行工作時，低噪聲通常和寬帶是同時產(chǎn)生的，如果想要完全消除噪聲，那么寬帶鎖相環(huán)工作便會受到影響?，F(xiàn)階段，寬帶鎖相環(huán)產(chǎn)生噪聲主要是由于線路電荷泵以及環(huán)路濾波器的靜態(tài)漏電而產(chǎn)生的，這種噪聲在日益縮小體積的頻率綜合器中并不能有效的消除，反而會由于寬帶鎖相環(huán)頻率綜合器進行頻率切割計算時不斷增大。

2.2 寬帶鎖相環(huán)頻率綜合器降低噪聲以及功耗的研究

首先，對寬帶鎖相環(huán)頻率綜合器的工作線路進行分析和研究，找到其工作線路和電荷泵的準確漏電位置。然后相關(guān)工作人員進行輔助電路的補充設(shè)置，使得這條輔助反饋電路能夠?qū)崿F(xiàn)工作環(huán)路漏電的補償，實現(xiàn)通過減少電路靜態(tài)漏電而產(chǎn)生的噪聲?，F(xiàn)階段，為減少由于電流大小失配引起的靜態(tài)誤差，主要有以下幾種方法。

（1）研究人員一般通過運用互補金屬氧化物半導(dǎo)體工藝實現(xiàn)頻率綜合器鎖定時間的確定，同時，利用CMOS，能夠?qū)崿F(xiàn)鎖定時間的穩(wěn)定，使得頻率綜合器的鎖定時間能夠在一定的溫度變化、工作誤差范圍內(nèi)不出現(xiàn)劇烈的波動。

（2）采用調(diào)整環(huán)路濾波器零點與極點的時間常數(shù)的方法來實現(xiàn)。但是環(huán)路濾波器是一個積分器，要求采用較寬的補償電流脈沖來消除電流失陪配引起的相位噪聲，而鑒相器工作在脈沖采樣狀態(tài)，因此這種補償方法不能有效的抵消窄的電荷泵電流脈沖相位噪聲。

（3）補償電流脈沖寬度為壓控振蕩器輸出頻率周期的固定整數(shù)倍。這種補償方法的特點是補償電流脈沖的大小可以自動隨壓控振蕩器的振蕩周期改變而改變，當環(huán)路輸出頻率改變時，環(huán)路的相位補償增益可以保持不變。這種補償方法對于采樣時刻的限制明顯降低，當補償電流脈沖寬度遠小于壓控振蕩周期時也可以在參考時鐘的下降沿采樣。

現(xiàn)階段降低寬帶鎖相環(huán)頻率綜合器功耗以及噪聲，也可以通過改善壓控振蕩器的型號來實現(xiàn)。采用金氧半場效晶體管交叉負阻管能夠顯著降低耦合晶體管跨導(dǎo)的性能要求，從而保證頻率綜合器電路的對稱性，使得其在輸出信號時，能夠提高信號質(zhì)量、降低信號輸出誤差，最終達到減少寄生電阻產(chǎn)生的噪聲。

3 結(jié)語

綜上所述，現(xiàn)階段低功耗低噪聲寬帶鎖相環(huán)頻率綜合器的功耗以及噪聲控制，主要是通過對鎖相環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的鑒相器、電荷泵、環(huán)路濾波器等進行輔助電路補充以及互補金屬氧化物半導(dǎo)體工藝運用來實現(xiàn)的。通過以上措施的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)頻率綜合器各模塊噪聲的明顯改善，使得寬帶鎖相環(huán)頻率綜合器在實際工作時能夠更好的滿足人們的工作需求，為我國現(xiàn)代電子系統(tǒng)的快速發(fā)展作出更為重要的貢獻。