作者：吳紅輝? ?公司：駿龍科技

隨著移動(dòng)通信的發(fā)展，通信技術(shù)已發(fā)展到5G 時(shí)代，通信系統(tǒng)也變得越來(lái)越復(fù)雜，頻段也越來(lái)越高。有用的信號(hào)向更高頻率的搬移，離不開本振的參與。鎖相環(huán)（PLL）作為本振信號(hào)的來(lái)源，是現(xiàn)代通信系統(tǒng)的基本構(gòu)建模塊，廣泛應(yīng)用于各種通信設(shè)備，儀器儀表等測(cè)試設(shè)備中，也可用于時(shí)鐘信號(hào)分配和降噪，或用作高采樣速率模數(shù)或數(shù)模轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘源。因此，本振的質(zhì)量在通信系統(tǒng)中也至關(guān)重要。由于各種新的應(yīng)用如信號(hào)的掃描不斷出現(xiàn)，越來(lái)越多客戶希望找到一款相噪好，又能更快鎖定時(shí)間的合成器。ADI LTC6948和LTC6946系列就能很好地解決這個(gè)問(wèn)題。頻段能夠覆蓋從0.37G-6.39G，并可廣泛應(yīng)用于信號(hào)掃面、識(shí)別和捕捉。

一、鎖相環(huán)的基本原理

鎖相環(huán)主要由三大部分構(gòu)成：鑒相器、VCO 、環(huán)路濾波器，如下圖（圖1）所示：

圖1 鎖相環(huán)基本原理

二 、合成器的核心指標(biāo)

核心指標(biāo)一：相位噪聲

首先說(shuō)到合成器的核心指標(biāo)：相位噪聲，我們需要了解相位噪聲是由哪些因素決定的。這有利于我們?cè)谶M(jìn)行硬件調(diào)試時(shí)，及時(shí)準(zhǔn)確找出問(wèn)題所在，提高工作效率。

相位噪聲的決定因素：

· 參考源的抖動(dòng)：φin

· VCO 的固有抖動(dòng)

· 環(huán)路濾波電路產(chǎn)生的噪聲

· 分頻電路產(chǎn)生的噪聲

圖2 鎖相環(huán)傳輸函數(shù)模型

圖3 相位噪聲貢獻(xiàn)分布圖

圖4 相位噪聲分布圖

核心指標(biāo)二：雜散

其次說(shuō)到雜散，不得不提的是：ADI的LTC6948系列小數(shù)分頻合成器，其采用了消除?-∑ Modulator Spurs。?-∑調(diào)制技術(shù)已成功地應(yīng)用于音頻范圍的各種高性能的過(guò)采樣中。在小數(shù)分頻鎖相環(huán)中 ， 利用?-∑調(diào)制技術(shù) ， 將合成器鎖相環(huán)中小數(shù)分頻器產(chǎn)生的相位雜散轉(zhuǎn)換為高通型相位噪聲 ， 再利用環(huán)路低通濾波特性予以濾除 ， 從而僅用單環(huán)即可獲得很高的頻率分辨率、極低的相位雜散及實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字調(diào)制 ， 這就大大簡(jiǎn)化了各種合成信號(hào)發(fā)生器的結(jié)構(gòu) ， 成為一種先進(jìn)實(shí)用的頻率合成方式，并在國(guó)外獲得廣泛應(yīng)用 。

對(duì)比前后的差異會(huì)發(fā)現(xiàn)為什么指標(biāo)那么重要。因?yàn)樵诮邮諜C(jī)系統(tǒng)中，雜散和其他信號(hào)混頻得到的信號(hào)如果落在有用信號(hào)帶內(nèi)，會(huì)影響接收機(jī)的靈敏度，然而這些信號(hào)又是無(wú)法通過(guò)濾波來(lái)解決的，因此消除這些雜散是必要的。

圖5 傳統(tǒng)架構(gòu)（無(wú)?-∑調(diào)制技術(shù)）頻譜

圖6 有?-∑調(diào)制技術(shù)的頻譜

核心指標(biāo)三：鎖定時(shí)間

最后說(shuō)到鎖定時(shí)間的問(wèn)題，LTC6948系列小數(shù)分頻合成器，可以實(shí)現(xiàn)很小的頻率分辨率，同時(shí)大大提高了鑒相參考頻率，小數(shù)分頻部分的整數(shù)分頻遠(yuǎn)小于整數(shù)分頻的分頻比，這樣就提高了頻率切換的速度，解決了分辨率與速度之間的矛盾問(wèn)題。

實(shí)測(cè)LTC6948和LTC6946系列合成器，在查表的模式下能達(dá)到大約20us的鎖定時(shí)間：即預(yù)置寄存器。這個(gè)時(shí)間達(dá)到了模擬鎖相環(huán)的極致，既盡可能接近數(shù)字鎖相環(huán)DDS的鎖定時(shí)間，又很好地回避了雜散問(wèn)題?？梢哉f(shuō)把模擬鎖相環(huán)的指標(biāo)做到了極致。同時(shí)該系列合成器，特別對(duì)于人們普遍關(guān)系的@10K處的相噪做了深度優(yōu)化，能保證在高頻率輸出的情況下達(dá)到很好的相位噪聲。

三、硬件設(shè)計(jì)

一個(gè)好的合成器，除了本身優(yōu)秀的芯片設(shè)計(jì)，嚴(yán)格的PCB Layout，也是不可缺少的。其中最關(guān)鍵的莫過(guò)于電源設(shè)計(jì)，合成器的關(guān)鍵部分PLL和VCO都是非常敏感的電路，極易收到外部的干擾。電源上的干擾主要是干擾路徑，一個(gè)干凈的供電，是合成相噪的保證。在這里推薦大家使用ADI目前業(yè)界最好的LDO：LT3042/3045， 它們具有極低的噪聲和極高的PSRR。這些指標(biāo)都完美契合了鎖相環(huán)的相噪指標(biāo)。

LT3045/3042的關(guān)鍵指標(biāo)：

· Ultralow RMS Noise： 0.8μVRMS （10Hz to 100kHz） n

· Ultralow Spot Noise： 2nV/√Hz at 10kHz

圖7 LDO:LT3045 紋波抑制比

除此之外，合理的不限布局也是合成器設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵，芯片模擬和數(shù)字部分的隔離是必要的，包括模擬和數(shù)字的供電等，芯片盡可能遠(yuǎn)離輻射較大電路部分比如開關(guān)電源等，如果實(shí)在無(wú)法避免或者空間不夠，可以采用加屏蔽罩等措施來(lái)進(jìn)行空間隔離，同時(shí)合理的布局也是避免參考整數(shù)倍雜散的關(guān)鍵。

ADI 不僅提供了高性能的芯片，同樣提供了完美的仿真工具（ADIsimPLL）， 這個(gè)工具讓我們的環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單很多，同時(shí)還有時(shí)域和頻域的量化仿真結(jié)果，而且可以靈活的調(diào)制，來(lái)滿足不同客戶的不同要求。

此外，LTC6948和LTC6946做了盡可能PIN TO PIN 的設(shè)計(jì)，讓客戶在同時(shí)使用這倆款芯片的時(shí)候，盡可能減少重復(fù)設(shè)計(jì)，減少了工作量，為客戶節(jié)約了成本。與此同時(shí)ADI LTC6948和LTC6946在寄存器配置方面非常簡(jiǎn)單，容易操作，不同于其他廠商繁瑣的寄存器配置。

由于LTC6948系列內(nèi)部集成的是18-Bit Fractional Denominator，根據(jù)實(shí)測(cè)一般都會(huì)有幾Hz的偏差。因此，對(duì)于客戶需要頻率精度非常準(zhǔn)的場(chǎng)合，不建議選用此系列芯片。而ADI 的HMC83X系列合成器，集成了24/32-Bit Fractional Denominator， 就能夠完美解決這個(gè)問(wèn)題，并且能夠提供很好的相位噪聲。

ADI是唯一一家可以提供齊全的頻率合成器選擇的公司，頻率從10K到32GHz，能夠滿足各種場(chǎng)合的不同需求，同時(shí)配合倍頻器系列產(chǎn)品，能夠?qū)㈩l率范圍實(shí)現(xiàn)成倍的增加。ADF4371合成器是目前業(yè)界能夠達(dá)到的最高頻率的合成器，最高頻率可達(dá)32G，帶有RF輸出靜音的功能，能為ADF4372（最高到16G ）及具有掃頻功能的ADF5610提供高速采樣時(shí)的時(shí)鐘參考。

圖8 ADI 寬帶合成器選型表

四、總結(jié)

一個(gè)好的合成器設(shè)計(jì)，不僅需要一個(gè)高性能的芯片，還要有合理規(guī)范的布線布局來(lái)支撐，并需要一個(gè)好的參考源（其中合理的壓擺率選擇也是考慮的關(guān)鍵）。合理的電源管理，合理的環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)，正確合理的寄存器配置，才能設(shè)計(jì)出性能更好的頻率源。

參考資料

《鎖相環(huán)電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用》作者：（日）遠(yuǎn)坂俊昭