一種微波鎖相頻率源的設(shè)計(jì)

1、 一種微波鎖相頻率源的設(shè)計(jì)A Design of Microwave PLL Frequency Source 葉利華（西科微波通訊有限公司） Ye Lihua（Chengdu Seekon Microwave Communication Company）【摘要】 本文主要介紹一種微波頻率源的設(shè)計(jì)，該源采用100MHZ恒溫晶振作為參考源，由Q3236、VCO和LF共同構(gòu)成一個(gè)鎖相環(huán)路，在高至2GHZ的頻點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)于-90dBc/Hz1KHz的相噪性能，同時(shí)具有極高的頻率穩(wěn)定度和良好的溫度穩(wěn)定性，可在廣泛范圍內(nèi)用作微波信號(hào)源。關(guān)鍵詞： 鎖相環(huán) 頻率合成器 相位噪聲 頻率穩(wěn)定度Abstract：

2、In this paper, the design of a frequency source was presented, in which a 100MHZ constant-temperature crystal oscillator acting as a reference source. Q3236,VCO and LF all together compose a phase locked loop. At the hign frequency up to 2GHZ,the sources phase noise can be better than -90dBc/HZ1KHZ,

3、 in addition to this, it has hign frequency stability and temperature stability at the same time, which is hopeful to be used as microwave signal source in extensive areas.Key words: Phase-Locked Loop Frequency Synthesizer Phase Noise Frequency Stability1.引言微波信號(hào)源作為一個(gè)微波系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，它從很大程度上決定和制約著系統(tǒng)的性能。信號(hào)

4、源質(zhì)量的改善，將相應(yīng)地提高整個(gè)系統(tǒng)的噪聲性能。鎖相環(huán)頻率源作為微波固態(tài)源的一種，它具有頻率穩(wěn)定度高、相位噪聲低、無(wú)寄生輸出、頻率建立快及易于集成的特點(diǎn)。因此，它在雷達(dá)、通信、遙控遙測(cè)、電視廣播和電子測(cè)量?jī)x器等領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用。鎖相的意義就是相位同步的自動(dòng)控制。能夠完成兩個(gè)電信號(hào)相位同步的自動(dòng)控制閉環(huán)系統(tǒng)叫做鎖相環(huán)(Phase-Locked Loop)，簡(jiǎn)稱PLL。鎖相環(huán)路是一個(gè)相位負(fù)反饋控制系統(tǒng),它由鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LF)和壓控振蕩器(VCO)三個(gè)基本部件組成。如圖所示：鎖相環(huán)的基本功能是跟蹤輸入信號(hào)的相位。這一功能是由鑒相器產(chǎn)生一個(gè)與輸入信號(hào)和vco信號(hào)相位差成比例的電壓而完

5、成的。這個(gè)相位誤差電壓通過(guò)低通濾波器,在那里抑制了噪聲和高頻信號(hào)成份，并幫助決定環(huán)路的動(dòng)態(tài)性能。經(jīng)濾波后的相位誤差電壓調(diào)制vco頻率，重新在鑒相器中與輸入信號(hào)比較。產(chǎn)生的任何誤差電壓通過(guò)環(huán)路濾波器，調(diào)制vco頻率，直到vco以固定的相位關(guān)系鎖住輸入信號(hào)。鎖相環(huán)通過(guò)跟蹤輸入信號(hào)的相位，實(shí)現(xiàn)了頻率同步和頻率跟蹤。 壓控振蕩器的輸出接至鑒相器的一個(gè)輸入端，其輸出頻率的高低由低通濾波器上建立起來(lái)的平均電壓大小決定。施加于鑒相器另一個(gè)輸入端的外部輸入信號(hào)與來(lái)自壓控振蕩器的輸出信號(hào)相比較，比較結(jié)果產(chǎn)生的誤差輸出電壓正比于外部輸入和壓控振蕩器的輸出兩個(gè)信號(hào)的相位差，經(jīng)過(guò)低通濾波器濾除高頻分量后，得到一個(gè)平均

6、值電壓。這個(gè)平均值電壓朝著減小VCO輸出信號(hào)頻率和外部輸入信號(hào)頻率之差的方向變化，直至VCO輸出頻率和輸入信號(hào)頻率獲得一致。這時(shí)兩個(gè)信號(hào)的頻率相同，兩信號(hào)相位差保持恒定（即同步）即實(shí)現(xiàn)了鎖相。當(dāng)鎖相環(huán)入鎖時(shí)，它還具有“捕捉”信號(hào)的能力，VCO可在某一范圍內(nèi)自動(dòng)跟蹤輸入信號(hào)的變化。如果輸入信號(hào)頻率在鎖相環(huán)的捕捉范圍內(nèi)發(fā)生變化，鎖相環(huán)能捕捉到輸人信號(hào)頻率，并強(qiáng)迫VCO鎖定在這個(gè)頻率上。鎖相環(huán)應(yīng)用非常靈活，如果輸入信號(hào)頻率f1不等于VCO輸出信號(hào)頻率f2，而要求兩者保持一定的關(guān)系，例如比例關(guān)系或差值關(guān)系，則可以在外部加入一個(gè)運(yùn)算器，以滿足不同工作的需要。例如，一個(gè)帶N分頻的鎖相環(huán)路，它實(shí)現(xiàn)了由一個(gè)高

7、性能低頻率的參考源 N倍頻到，由于鎖相環(huán)路的優(yōu)勢(shì)，使得輸出信號(hào)N，頻率可以很高，同時(shí)相噪性能很好，頻率穩(wěn)定度和頻率準(zhǔn)確度高，且不存在寄生輸出問(wèn)題。（但它存在泄漏問(wèn)題）。另外，通過(guò)改變N，可以很方便地改變輸出頻率。 帶N分頻的鎖相環(huán)如下圖所示：2.鎖相頻率源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（1）、關(guān)于Q3236設(shè)計(jì)中選用Qualcomm公司的高性能鎖相環(huán)頻率合成器芯片Q3236作為鑒相器和反饋回路上的N分頻器，并實(shí)現(xiàn)對(duì)參考頻率的分頻。Q3236相噪極低，鑒相頻率為1MHZ時(shí)，其相位噪聲低達(dá)-154dBc/Hz100Hz，鑒相輸入頻率高達(dá)2GHz，具有低功耗（小于0.6W）、高鑒相靈敏度（302mv/Rad），內(nèi)置可

8、編程分頻器等特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)其內(nèi)部分頻器的編程，可實(shí)現(xiàn)輸出頻率步進(jìn)。Q3236帶有失鎖指示，由單一+5V供電，它有寬的輸入信號(hào)強(qiáng)度范圍：-10dBm至+3.5dBm。它包含了構(gòu)成鎖相環(huán)頻率源所需的除VCO、LPF以外的其它所有基本單元。應(yīng)用頻段從UHF一直到L波段。如下圖所示，為使用Q3236構(gòu)成鎖相環(huán)頻率源的基本結(jié)構(gòu)框圖。大的虛線框內(nèi)為Q3236的內(nèi)部功能模塊，小的虛線框內(nèi)為對(duì)VCO反饋回來(lái)的信號(hào)的分頻，以使輸入到鑒相器的反饋信號(hào)Fvco/N與經(jīng)過(guò)R分頻的參考輸入信號(hào)同頻。通過(guò)環(huán)路的捕捉功能，使環(huán)路鎖定在Fvco (FvcoN*Fpd=N*Fin/R)上。由于可變分頻器的輸入頻率受到限制，一般很

9、難做到太高，所以，為了提高鑒相器的輸入頻率，Q3236在可變分頻器之前有一個(gè)高速雙模予分頻器（即圖中的÷10/11予分頻器），這樣使得其鑒相輸入頻率提高到2GHZ以上。在予分頻器和可變分頻器都有效的情況下，總的VCO分頻比為N：N = FVCO/FPD= 10 * (M + 1) + A,（ A M + 1, M 0）通過(guò)數(shù)字接口對(duì)Q3236進(jìn)行編程，可以改變可變分頻器的分頻比M，從而改變總得VCO分頻比N，進(jìn)而改變輸出信號(hào)FVCO的頻率（假定參考頻率不變）。 （2）、基于相噪性能考慮的鑒相頻率的選擇 使用Q3236設(shè)計(jì)鎖相頻率源時(shí)，要注意鑒相頻率的選取，因?yàn)殍b相頻率不同，相應(yīng)當(dāng)Q3

10、236貢獻(xiàn)的噪聲水平也大不一樣，Q3236鑒相頻率從0.25MHZ升至100MHZ時(shí)，其相位噪聲基底從-154dBc/HZ逐漸惡化到-122dBc/HZ。因此，為了在輸出端得到比較好的相噪性能，鑒相頻率不能取得太高。如下頁(yè)圖所示： 但是，鑒相頻率也不是越低越好，因?yàn)閺恼w來(lái)看，Q3236實(shí)現(xiàn)了從FPD到Fvco的N倍頻；而伴隨著倍頻過(guò)程的是信號(hào)相噪性能的惡化，惡化程度為20log10N（dB）。NFvco/FPD，鑒相頻率越低，N越大，惡化程度越大。所以，鑒相頻率的選取要綜合考慮這兩方面的影響。輸出頻率已知為2000MHZ，通過(guò)計(jì)算和比較得知，取鑒相頻率為20MHZ時(shí)，輸出信號(hào)的理論相噪值為-

11、96dBc/Hz1KHz,-97dBc/Hz10KHz和-89dBc/Hz100Hz，輸出信號(hào)可能達(dá)到的相噪性能達(dá)到最佳。實(shí)際的設(shè)計(jì)中應(yīng)該留有一定的裕量，因?yàn)閷?shí)際是很難達(dá)到理論最佳值的。（3）、環(huán)路濾波器的選擇PLL頻率源的設(shè)計(jì)，其主要工作就是正確選擇和設(shè)計(jì)環(huán)路濾波器(LF)，使頻率合成器指標(biāo)在相位噪聲、雜散抑制、跳頻速度和穩(wěn)定性等方面合理兼顧，實(shí)現(xiàn)綜合性能最佳。實(shí)際設(shè)計(jì)中鎖相環(huán)采用二階環(huán)，環(huán)路濾波器采用有源比例積分濾波器，構(gòu)成二階二型環(huán)，如下圖所示：環(huán)路濾波器的傳遞涵數(shù)為： 其中，T1=R1*C T2=R2*C整個(gè)二階二型鎖相環(huán)的相位傳遞函數(shù)為：， 用標(biāo)準(zhǔn)形式可寫(xiě)為：其中， ，。KV為VCO

12、的壓控靈敏度，K為鑒相靈敏度，N為環(huán)路分頻比，n為自然諧振頻率，為阻尼系數(shù)。n，決定環(huán)路噪聲性能、穩(wěn)定性、環(huán)路入鎖時(shí)間，通過(guò)合理選擇其值，可使環(huán)路達(dá)到最佳性能。（4）、實(shí)際電路Fout=2000MHZ Fref=100MHZ Fpd=20MHZ R= (Fref/ Fpd)-1=4 N= Fout/ Fpd=100由于N10*（M+1）+A （A M + 1, M 0），所以M9，A0故電路原理圖為：3.鎖相頻率源設(shè)計(jì)的擴(kuò)展、改善的探討（1）、功能的擴(kuò)展通過(guò)在反饋回路上加固定分頻的外置予分頻器，可以將輸出頻率的最大值從2GHZ提高至15GHZ以上。 （2）、關(guān)于電磁兼容性方面的相關(guān)考慮良好的電

13、磁兼容EMC設(shè)計(jì)將有助于提高系統(tǒng)的性能，改善其穩(wěn)定性、相噪性能、雜散抑制、諧波抑制、頻率穩(wěn)定度、入鎖時(shí)間等指標(biāo)。為了達(dá)到良好的電磁兼容設(shè)計(jì)，我們可以在元件的選擇和電路設(shè)計(jì)方面采取以下措施：電子元件有兩種：有引腳的元件和無(wú)引腳的元件。有引腳的元件有寄生效果，產(chǎn)生寄生電感，大約是1nH/mm，引腳的末端還產(chǎn)生一個(gè)電容效應(yīng)，大約為4pF。而無(wú)引腳表面貼裝的元件的寄生效果要小的多，典型值為0.5 nH的寄生電感和0.3pF的終端電容。所以，就消除寄生效應(yīng)來(lái)說(shuō)，高頻時(shí)應(yīng)盡量使用表貼元件，其封裝越小越好。1、電阻有引腳的電阻，應(yīng)首選碳膜電阻，其次是金屬膜電阻，最后是線繞電阻。線繞電阻有很強(qiáng)的電感特性，因此

14、在對(duì)頻率敏感的應(yīng)用中不能用它，它最適合用在大功率處理的電路中在放大器的設(shè)計(jì)中，電阻的選擇很重要。在高頻環(huán)境下，電阻的阻抗會(huì)因?yàn)槠潆姼行?yīng)而增加。因此，增益控制電阻的位置應(yīng)盡可能的靠近放大器電路以減少電路板的電感。在上拉下拉電阻的電路中，晶體管或集成電路的快速切換會(huì)增加上升時(shí)間。為了減小這個(gè)影響，所有的偏置電阻應(yīng)該盡可能靠近有源器件及它的電源和地，從而減少PCB連線的電感。在穩(wěn)壓和參考電路中，直流偏置電阻應(yīng)盡可能靠近有源器件以改善瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間。2、電容電容的種類很多，常見(jiàn)的有鋁質(zhì)電解電容、鉭電容、陶質(zhì)電容和云母電容等。鋁質(zhì)電解電容通常是在絕緣薄層之間以螺旋狀纏繞金屬箔制成，這樣可在單位體積內(nèi)得到

15、較大的電容值，但其內(nèi)部電感較大。鉭電容由一塊帶直板和引腳連接點(diǎn)的絕緣體制成。陶質(zhì)電容是在陶瓷絕緣體中包含多個(gè)平行的金屬片。其主要寄生為片結(jié)構(gòu)的感抗，這通常在低于MHZ的區(qū)域造成阻抗。絕緣材料的不同導(dǎo)致不同的頻響特性，從而使得一種類型的電容會(huì)比另一種更適合與某種場(chǎng)合。鋁電解電容和鉭電解電容更適合于低頻終端，主要是低頻濾波器。陶質(zhì)電容適合于從KHZ到MHZ的中頻范圍，常用于去耦電路和高頻濾波。特殊的低損耗陶質(zhì)電容和云母電容則適合于甚高頻電路和微波電路。另外，電容具有低的ESR（Equivalent Series Resistance）等效串聯(lián)電阻是很重要的，因?yàn)樗鼤?huì)對(duì)信號(hào)造成大的衰減，尤其是應(yīng)用頻

16、率接近電容諧振頻率時(shí)。電容的一個(gè)重要應(yīng)用就是用作旁路電容。旁路電容的主要功能是產(chǎn)生一個(gè)交流分路，從而消去進(jìn)入易感區(qū)的那些不需要的能量（雜散和干擾信號(hào)）。旁路電容一般作為高頻旁路器件來(lái)減小對(duì)電源模塊的瞬態(tài)電流需求。鋁電解電容和鉭電解電容比較適合作旁路電容，其值取決與PCB板上的瞬態(tài)電流需求，一般在10到470uF范圍內(nèi)。電容的另一個(gè)重要作用就是去耦。有源器件在開(kāi)關(guān)是產(chǎn)生的高頻開(kāi)關(guān)噪聲將沿著電源線傳播。去耦電容的主要功能就是提供一個(gè)局部的直流電源給有源器件，以減少開(kāi)關(guān)噪聲在板上的傳播和將噪聲引導(dǎo)到地。實(shí)際上，旁路電容和去耦電容都應(yīng)該盡可能放在靠近電源輸入處以幫助濾出高頻噪聲。去耦電容的取值大約是旁

17、路電容的1/1000到1/100，它應(yīng)盡可能的靠近每個(gè)集成塊，以免布線阻抗減小去耦電容的效力。陶瓷電容常用于去耦，其值取決于最快信號(hào)的上升和下降時(shí)間。例如，對(duì)于33MHZ的信號(hào)，可使用4.7nF到100nF的電容；而對(duì)于100MHZ的信號(hào)，可使用10nF的電容。去耦電容的ESR值一般應(yīng)低于1歐姆。電容除電容值以外，還有一個(gè)參數(shù)：諧振頻率。電容在低于諧振頻率時(shí)呈現(xiàn)容性，在高于諧振頻率時(shí)呈現(xiàn)感性（因?yàn)橐€長(zhǎng)度或布線自感）。為了達(dá)到良好的去耦效果，常將多個(gè)去耦電容并聯(lián)。這樣能提供6dB的增益以抑制有源器件開(kāi)關(guān)造成的射頻電流。多個(gè)去耦電容并聯(lián)，不僅能提供更寬的頻譜范圍，而且能提供更寬的布線以減小布線自

18、感，因此也就能更有效的去耦。兩個(gè)電容的取值應(yīng)相差兩個(gè)數(shù)量級(jí)以提供更有效的去耦（如0.1uF和0.001uF并聯(lián)）。數(shù)字電路的去耦中，低的ESR比諧振頻率更重要。它可以提供更低阻抗的到地通路。3、電感電感有開(kāi)環(huán)電感和閉環(huán)電感兩種，開(kāi)環(huán)電感的磁場(chǎng)通過(guò)空氣閉合，閉環(huán)電感的磁場(chǎng)通過(guò)磁芯閉合。電感沒(méi)有寄生感抗，因此，表貼型和引線型沒(méi)有什么差別。電感的磁芯材料主要有兩種：鐵和鐵氧體。鐵磁芯電感用于低頻（幾十KHZ）場(chǎng)合，而鐵氧體磁芯電感用于高頻場(chǎng)合（高至MHZ）。在EMC的特殊應(yīng)用中，有兩類特殊的電感：鐵氧體磁珠和鐵氧體夾。鐵氧體磁珠是單環(huán)電感，通常，單股導(dǎo)線穿過(guò)鐵氧體型材而形成單環(huán)。這種器件在高頻的衰減為10dB，而直流的衰減量很小。類似與鐵氧體磁珠，鐵氧體夾在高達(dá)MHZ的頻率范圍內(nèi)的共模和差模衰減可達(dá)到10dB至20dB。在DC-DC變換中，電感必須能夠承受高飽和電流，并且輻射小，繞軸式電感具有滿足該應(yīng)用要求的特性。