基于ADF4356 和HMC703 的寬帶低相噪頻率合成器的設(shè)計(jì)

張寧，宋淼，趙金鵬

（中電科思儀科技股份有限公司，山東青島，266555）

0 引言

頻率合成器是信號發(fā)生和分析電路中最重要的組成之一，用于信號發(fā)生電路中的信號產(chǎn)生以及信號分析電路中的本振信號產(chǎn)生，直接決定了整機(jī)和系統(tǒng)的性能指標(biāo)。目前主要有三種主流的頻率合成技術(shù)：直接頻率合成技術(shù)、直接數(shù)字式頻率合成技術(shù)和鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)。直接頻率合成技術(shù)是通過倍頻器、分頻器、混頻器對頻率進(jìn)行加、減、乘、除運(yùn)算，得到各種所需頻率，優(yōu)點(diǎn)是頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜；直接數(shù)字頻率合成頻率分辨率高，頻率切換時(shí)間短，但受限于器件的發(fā)展，很難做到高頻率的信號輸出；鎖相頻率合成技術(shù)是基于鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)的頻率合成技術(shù)，具有頻率穩(wěn)定度高、相位噪聲低，易于集成等突出特點(diǎn)，特別是隨著集成鎖相芯片的發(fā)展，采用集成鎖相芯片就可以方便的實(shí)現(xiàn)寬帶低相噪的頻率合成器，目前應(yīng)用范圍很多。

1 設(shè)計(jì)要求與實(shí)現(xiàn)方案

1.1 設(shè)計(jì)要求

頻率范圍：60MHz-6000MHz

相位噪聲：≤-128dBc/Hz（60MHz-500MHz）

≤-108dBc/Hz（500MHz-6GHz）

頻率分辨率：1kHz

頻率切換時(shí)間：≤300μs

■1.2 實(shí)現(xiàn)方案簡介

本項(xiàng)目采用集成單環(huán)鎖相方案，具有鎖相速度快，體積小，成本低等特點(diǎn)，如圖1 所示，主要由參考分頻器、鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器和反饋分頻器組成。電路中將VCO 的N 分頻信號與參考信號的R 分頻信號鑒相，通過鑒相器輸出與兩種信號相位移成正比的誤差信號，環(huán)路濾波器將相位誤差轉(zhuǎn)換為電壓信號，送至VCO 輸入端調(diào)諧VCO的輸出頻率，當(dāng)兩鑒相信號頻率相同時(shí)，環(huán)路鎖定。

圖1 單環(huán)鎖相環(huán)路簡介

2 實(shí)現(xiàn)方案選擇

■2.1 采用具有集成VCO 的寬帶頻率合成器ADF4356

ADF4356 是ADI 公司生產(chǎn)的具有集成VCO 的頻率合成器，VCO的基礎(chǔ)頻率為3400MHz～6800MHz，芯片內(nèi)部可通過1，2，4，8，16，32，64 分頻，實(shí)現(xiàn)53.125MHz～6800MHz 寬頻率范圍輸出。

從頻率范圍來看，完全滿足項(xiàng)目指標(biāo)要求，ADF4356內(nèi)部集成了52 位的小數(shù)調(diào)制器，理論頻率分辨率為fPD/252，在本設(shè)計(jì)中，鑒相頻率為50MHz，對應(yīng)頻率分辨率可達(dá)μHz 級，滿足設(shè)計(jì)要求。下面再對相位噪聲指標(biāo)進(jìn)行分析，鎖相環(huán)的噪聲來源主要有三個(gè)，分別為參考信號噪聲、鑒相器噪聲以及VCO 引入的噪聲。在環(huán)路帶寬內(nèi)，鎖相環(huán)的相位噪聲主要取決于參考和鑒相器噪聲，環(huán)路帶寬外主要取決于VCO 自身的噪聲。ADF4356 為多段式VCO，具有比較好的相位噪聲指標(biāo)，在3.4GHz 輸出，1MHz 頻偏下具有-137dBc/Hz 的相位噪聲指標(biāo)。在本設(shè)計(jì)中環(huán)路帶寬設(shè)計(jì)為100kHz，指標(biāo)要求的10kHz 的相位噪聲為帶內(nèi)相噪，主要取決于參考和鑒相器噪聲，外部輸入的參考信號噪聲指標(biāo)相對比較好，因此環(huán)路帶寬內(nèi)的相位噪聲主要取決于鑒相器的噪聲，如以下公式所示。

ADF4356 在小數(shù)模式下的基底噪聲Floor FOM為-225dBc/Hz，fPD為鑒相頻率，N 為分頻比，N=fVCO/fPD，從公式中可以看出，分頻比N 對相位噪聲的惡化程度是鑒相頻率2 倍，因此，盡量選用比較小的分頻比N，比較大的鑒相頻率，有利于減少鎖相環(huán)輸出信號相位噪聲的惡化，實(shí)現(xiàn)更好的相位噪聲指標(biāo)。

下面分別計(jì)算該實(shí)現(xiàn)方式下輸出頻率在60MHz、500MHz、6GHz 的相位噪聲指標(biāo)。

（1）60MHz 相位噪聲

ADF4356 輸出60MHz 信號，需要VCO 鎖定輸出3840MHz 信號，然后再進(jìn)行64 分頻，得到60MHz 的信號輸出。鑒相頻率選用50MHz，分頻比N 為3840/50=76.8

（2）500MHz 相位噪聲

ADF4356 輸出50MHz 信號，需要VCO 鎖定輸出4000MHz 信號，然后再進(jìn)行8 分頻，得到500MHz 的信號輸出，鑒相頻率選用50MHz，分頻比N 為4000/50=80。

（3）6000MHz 相位噪聲

6000MHz 在ADF4356 VCO 的基礎(chǔ)頻率范圍之內(nèi)，不需要分頻直接輸出即可，鑒相頻率選用50MHz，分頻比N為6000/50=120，其相位噪聲為：

從分析來看，采用該芯片500MHz 相位噪聲指標(biāo)臨界，6000MHz 相位噪聲指標(biāo)不滿足使用要求。

■2.2 采用低噪聲頻率合成器HMC703 和ADF4356

通過上面的計(jì)算可知，相位噪聲在6GHz 時(shí)難以滿足指標(biāo)需求，因此考慮采用具有超低噪聲的頻率合成器HMC703配合ADF4356 進(jìn)行鎖相環(huán)設(shè)計(jì)，ADF4356 只用其VCO 功能，HMC703 來實(shí)現(xiàn)鑒相功能。HMC703 具有優(yōu)異的相位噪聲和雜散性能，在小數(shù)模式下，可實(shí)現(xiàn)-230dBc/Hz 的基底噪聲，比ADF4356 好5dB 左右，能夠?qū)崿F(xiàn)DC-8000MHz 的射頻輸入頻率范圍，該芯片具有很高的集成度，內(nèi)部集成了整數(shù)分頻器和24 位小數(shù)調(diào)制器以及鑒相器和電荷泵電路等。HMC703 內(nèi)部除了有普通的電荷泵電流源，還有一個(gè)噪聲性能更好的額外電流源HIKCP,可以改善鎖相環(huán)的相位噪聲性能，本項(xiàng)目應(yīng)用在這種HIK 模式下，來實(shí)現(xiàn)更高的相位噪聲指標(biāo)，值得注意的是，HIK 模式只適合用于有源環(huán)路濾波器，無法用于無源環(huán)路濾波器。HMC703 在頻率小于4GHz 時(shí)，小數(shù)模式下N 分頻比最小為20；頻率大于4GHz時(shí)，N 分頻比最小為40，需要據(jù)此進(jìn)行合適的鑒相頻率選擇，在滿足要求的情況下盡量選用比較高的鑒相頻率，來獲得更好的相位噪聲指標(biāo)。

由于HMC703 內(nèi)部集成了24 位的小數(shù)調(diào)制器，因此在50MHz 鑒相情況下，理論頻率分辨率為50MHz/224=2.98Hz，滿足本項(xiàng)目的需求。

下面計(jì)算ADF4356 只用做VCO,配合低相噪頻率合成器HMC703 實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)路時(shí)，輸出頻率在60MHz、500MHz、6GHz 能夠?qū)崿F(xiàn)的相位噪聲指標(biāo)。

（1）60MHz 相位噪聲

因?yàn)樵谛?shù)模式下，HMC703 的N 分頻比最小為20，所以60MHz 輸出時(shí)，最大的鑒相頻率為，因?yàn)楸卷?xiàng)目參考頻率為100MHz，因此采用2.5MHz 鑒相，R 分頻為40 分頻，N 分頻比為24。此時(shí)60MHz 的相位噪聲為：

（2）500MHz 相位噪聲

N 分頻比最小為20，因此鑒相頻率為500/20=25MHz

（3）6000MHz 相位噪聲

在此輸出頻率下，可以采用和ADF4356 鎖相方式一樣的鑒相頻率，為50MHz，分頻比N 為6000/50=120，此時(shí)6000MHz 相位噪聲為：

■2.3 實(shí)際選用方案

從以上的分析來看，只采用ADF4356 實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)設(shè)計(jì)時(shí)，500MHz 相位噪聲指標(biāo)臨界，6000MHz 相位噪聲指標(biāo)不滿足使用要求；當(dāng)采用ADF4356 為VCO、HMC703 鑒相來實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)設(shè)計(jì)時(shí)，均滿足設(shè)計(jì)要求，但60MHz 相位噪聲指標(biāo)沒有采用ADF4356 鎖相時(shí)好，如表1 所示。因此考慮采用ADF4356 鎖相和HMC703 鎖相兩種方式相結(jié)合的方案，頻率在500MHz 以下采用ADF4356 方式鎖相，500MHz 以上采用HMC703 鑒相、ADF4356 用作VCO 的方式鎖相，最終實(shí)現(xiàn)60MHz-6000MHz 的全頻率范圍內(nèi)的頻率覆蓋，實(shí)現(xiàn)框圖如圖2 所示，外部環(huán)路濾波器前有一個(gè)二選一開關(guān)，輸出頻率為500MHz 以下時(shí)連通ADF4356 鑒相后輸出的信號，輸出頻率為500MHz～6000MHz 時(shí)連通HMC703 鑒相后輸出的信號，濾波后的調(diào)諧電壓用來調(diào)諧ADF4356 內(nèi)的VCO。

表1 不同鎖相方式下相位噪聲指標(biāo)

圖2 HMC703+ADF4356 鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)框圖

3 設(shè)計(jì)應(yīng)用

■3.1 ADF4356VCO 參數(shù)自動(dòng)校準(zhǔn)及寄存器配置

本項(xiàng)目中，ADF4356 既要完成500MHz 以下的鎖相環(huán)功能，又要作為VCO,配合HMC703 完成500MHz～6GHz的鎖相環(huán)功能。ADF4356 的CLK、DATA 和LE 為控制數(shù)據(jù)傳輸接口，時(shí)鐘信號頻率最大50MHz，內(nèi)部有R0-R13 寄存器，可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行相應(yīng)的配置。ADF4356 為多段式VCO,由4 個(gè)獨(dú)立的VCO CORE 組成，每個(gè)VCO CORE又由256 個(gè)BAND 組成，每個(gè)BAND 又都具備各自的偏置（BIAS CODE），它的優(yōu)勢在于可以覆蓋比較寬的頻率范圍，并且具有非常優(yōu)異的相位噪聲指標(biāo)，ADF4356 在1MHz 頻偏的相位噪聲指標(biāo)典型值優(yōu)于-130dBc/Hz，缺點(diǎn)在于每段VCO 的高低端及不同VCO 頻段之間調(diào)諧靈敏度存在一定差異，給環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)及頻率切換時(shí)間的實(shí)現(xiàn)會帶來較大的難度，因此需要對多段VCO 的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行提前校準(zhǔn)，來實(shí)現(xiàn)更快的頻率切換時(shí)間。

ADF4356 可以根據(jù)配置的參數(shù)，鑒相信號及分頻信號，自動(dòng)校準(zhǔn)合適的VCO CORE，BAND 以及BIAS CODE。默認(rèn)情況下，ADF4356 自動(dòng)校準(zhǔn)功能是使能的，此種方式需要較長的鎖相時(shí)間。為了能夠提高鎖相速度，需要對ADF4356 進(jìn)行校準(zhǔn)，將各個(gè)輸出頻率對應(yīng)的CORE，BAND以及BIAS CODE 等信息保存在存儲器中，需要時(shí)直接加載，以極大的提高鎖相速度。每一片ADF4356 的VCO 參數(shù)都有所不同，可以采用以下步驟獲取當(dāng)前選用的ADF4356 芯片的VCO CORE，BAND 以及BIAS CODE 等信息。

（1）按照實(shí)際需要配置初始化ADF4356 相關(guān)寄存器，確保以下配置：

R10 寄存器的DB[28:26]=0b001，VCO read 設(shè)置為VCO core and band；

R7 寄存器的DB[14:12]=0b110，VCO readback 設(shè)置為 VCO calibration complet

R4 寄存器的DB[29:27]=0b111，MUXOUT 設(shè)置為VCO readback

R0 寄存器的DB21=1；AUTOCAL 設(shè)置為使能

（2）設(shè)置第一個(gè)頻率點(diǎn)，等待頻點(diǎn)鎖定（可等待10ms），MUXOUT 輸出為高；

（3）R7 寄存器的DB[14:12]=0b111，VCO readback設(shè)置為 VCO readback

（4）按照如圖5 所示的時(shí)序進(jìn)行SPI 讀寫數(shù)據(jù)，保存VCO core and band 信息。

（5）設(shè)置R10 寄存器的DB[28:26]=0b011，VCO read 設(shè)置為 VCO bias code。

（6）按照如圖3 所示的時(shí)序進(jìn)行SPI 讀寫數(shù)據(jù)，保存VCO bias code信息。

圖3 ADF4356 VCO 自動(dòng)校準(zhǔn)時(shí)序

（7）再次設(shè)置R10寄存器的DB[28:26]=0b001；VCO read 設(shè)置為 VCO core and band。

（8）返回步驟2，進(jìn)行下一個(gè)頻率點(diǎn)的設(shè)置，直至校準(zhǔn)至6800MHz，校準(zhǔn)完畢,形成查找表校準(zhǔn)文件。

當(dāng)實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需要當(dāng)前輸出什么頻率，直接查找校準(zhǔn)文件，設(shè)置相應(yīng)的值即可，可極大的提高頻率切換時(shí)間指標(biāo)。

■3.2 環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目選用的HMC703，采用HIK 模式鎖相來提高相位噪聲指標(biāo)，因此環(huán)路濾波器采用有源環(huán)路濾波器，相對無源環(huán)路濾波器，也可有效提高頻率切換時(shí)間。同時(shí)為了提高PLL 輸出信號的相位噪聲性能，本項(xiàng)目選取了TI 公司的低噪聲運(yùn)算放大器OPA209，該放大器具有超低的電壓噪聲，低至，該運(yùn)算放大器支持單電源供電。環(huán)路濾波器可以使用ADI 公司的ADIsimPLL 軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，該軟件是ADI 公司設(shè)計(jì)的專門服務(wù)于鎖相環(huán)設(shè)計(jì)的仿真軟件，該軟件的庫涵蓋了ADI 公司的大部分PLL、VCO 和運(yùn)算放大器等，可以仿真PLL 頻率合成器的許多關(guān)鍵的性能參數(shù)，比如鎖定時(shí)間、相位噪聲等。圖4 給出了基于HMC703 的小數(shù)分頻PLL 電路仿真原理圖，其中環(huán)路濾波器形式采用四階有源環(huán)路濾波器，環(huán)路濾波器帶寬為100kHz，相位裕度為45 度。從仿真可知，環(huán)路帶寬越大，鎖定時(shí)間越短，反之，鎖定時(shí)間越長；相位裕度越小，鎖定時(shí)間越短，反之，鎖定時(shí)間越長。但是，這并不意味著環(huán)路帶寬越大越好，相位裕度越小越好，因?yàn)檫@些指標(biāo)對于小數(shù)分頻PLL 的雜散性能、相位噪聲性能、穩(wěn)定度等都有很大的影響，相位裕度太小會造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。因?yàn)楸卷?xiàng)目要求的輸出頻率從60MHz～6000MHz，頻率覆蓋范圍比較寬，同時(shí)在不同的輸出頻率采用不同的鎖相方案，500MHz 以下采用ADF4356集成鎖相，500MHz～6000MHz 采用ADF4356 和HMC703進(jìn)行鎖相，在不同的鎖相方式下以及在相同鎖相方式但不同的頻率輸出情況下，環(huán)路濾波器的參數(shù)會有所不同，因此項(xiàng)目設(shè)計(jì)了多段環(huán)路濾波器參數(shù)，采用開關(guān)選擇的方式進(jìn)行切換，在不同的頻率輸出下，采用不用的環(huán)路元器件參數(shù)，以保證最后的相位噪聲、雜散等指標(biāo)滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。

圖4 基于HMC703 的小數(shù)分頻鎖相環(huán)路仿真圖

■3.3 測試結(jié)果

通過以上的設(shè)計(jì)，項(xiàng)目需要實(shí)現(xiàn)的頻率范圍、相位噪聲、頻率分辨率、頻率切換時(shí)間等指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，其中6GHz 的相位噪聲指標(biāo)實(shí)測值為-110dBc/Hz、頻率切換時(shí)間230μs，與理論設(shè)計(jì)值基本相當(dāng)，滿足項(xiàng)目應(yīng)用的需求。

4 結(jié)束語

本文介紹了一種基于ADF4356 和HMC703 的寬帶低相噪頻率合成器的設(shè)計(jì)，并給出了硬件設(shè)計(jì)原理框圖、性能指標(biāo)分析以及設(shè)計(jì)應(yīng)用的具體注意事項(xiàng)。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，采用該電路可實(shí)現(xiàn)寬帶低相噪頻率輸出，具有電路簡單、性能高、成本低、可靠性高等特點(diǎn)，具有很高的使用價(jià)值，已經(jīng)應(yīng)用于某型信號收發(fā)儀的本振設(shè)計(jì)中，性能指標(biāo)優(yōu)異，該方案還可廣泛應(yīng)用于需要寬帶、低相位噪聲頻率合成器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，具有很高的實(shí)用價(jià)值。