0 引言
頻率合成器是以一個高精確度和高穩(wěn)定的石英晶體振蕩器為基準(zhǔn)參考頻率,通過加、減、乘、除四則運算,獲得與石英晶體振蕩器同樣精確度和穩(wěn)定度的頻率源。本文利用頻率合成技術(shù)實現(xiàn)頻率倍頻,輸出L波段點頻源。
利用非線性電路產(chǎn)生高次諧波或者利用頻率控制電路都可以構(gòu)成倍頻器。也可以由鎖相倍頻電路實現(xiàn),該電路是一個閉環(huán)頻率反饋系統(tǒng),它主要由鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器和累加計數(shù)器構(gòu)成,本設(shè)計采用這種方案。
目前出現(xiàn)了眾多單片集成頻率合成芯片,如美國QualComm公司的Q3236等,這種帶有前置分頻器和多個計數(shù)器的芯片,給鎖相環(huán)電路的設(shè)計帶來了極大的方便,為實現(xiàn)電路的小型化提供了可能。下面對總體方案設(shè)計,Q3236芯片的功能,電路和環(huán)路濾波器設(shè)計逐一討論。
1 方案設(shè)計
本設(shè)計采用對晶體振蕩器輸出的參考信號,直接鎖相倍頻獲得高頻信號,再將高頻信號放大到設(shè)計要求的方案。利用的是鎖相頻率合成技術(shù),屬于間接頻率合成。整個倍頻源基本由鎖相倍頻電路、放大和濾波電路組成,最重要的是鎖相倍頻電路。
鎖相倍頻電路利用鎖相技術(shù)實現(xiàn)頻率合成,鎖相環(huán)(PLL)是其中的重要組成部分,實質(zhì)上是一個相位負(fù)反饋自動控制系統(tǒng)?;居设b相器(PD)、環(huán)路濾波器(LF)、壓控振蕩器(VCO)三部分組成。鑒相器用于比較兩個輸入信號相位,產(chǎn)生對應(yīng)于兩個信號瞬時相差的誤差電壓;環(huán)路濾波器具有低通作用,把鑒相器輸出的誤差電壓濾波,濾除高頻成分和噪聲,以保證環(huán)路所要求的性能,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性;壓控振蕩器受誤差電壓控制,使得VCO的輸出頻率向參考頻率靠近,直到消除頻差而鎖定。倍頻源框圖如圖1所示。
設(shè)計采用QualComm公司的高性能數(shù)字鎖相環(huán)芯片Q3236,其內(nèi)部集成有分頻器、鑒相器和計數(shù)器。鑒相器在7 MHz頻率上進(jìn)行鑒相,可以提高鑒相靈敏度、縮短跳頻時間。
2 硬件電路設(shè)計
2.1 鎖相環(huán)的選擇與使用
QualComm公司的Q3236是一種可在高達(dá)2 GHz頻段工作的分頻次數(shù)可編程的數(shù)字鎖相環(huán)芯片,在正常工作狀態(tài)下其功耗小于0.6 W,工作電壓為5 V。其鑒相頻率可達(dá)到100 MHz,本設(shè)計鑒相器工作在7 MHz,可應(yīng)用于此項設(shè)計中。
Q3236主要電路性能為:
(1)雙模前置分頻器(10分頻或11分頻);
(2)9位M和4位A吞脈沖計數(shù)器,6位R參考分頻器;
(3)100 MHz數(shù)字鑒頻/鑒相器,鑒相靈敏度為320 mV/rad;
(4)單電源+5 V供電,功耗小于0.6 W;
(5)具有寬的輸入靈敏度范圍,從-10~+3.5 dBm。
Q3236數(shù)字處理器接口有三種工作模式:直接并行輸入模式、串行總線模式和8位總線模式。因為設(shè)計的是輸出固定頻率的倍頻源,不用跳頻,于是采用直接并行輸入模式,可以簡化設(shè)計。設(shè)置‘HIGH’,Q3036
='LOW',6位R參考分頻器的R4,R5不用,9位M計數(shù)器的M7,M5不用,R分頻器和M計數(shù)器直接由外部輸入。
Q3236可提供的程序分頻器分頻比:對直接并行模式,當(dāng)小于300 MHz時,為2~128;當(dāng)小于2 GHz,為90~1 295。對外接的晶振,可提供的參考分頻比為:直接并行模式1~16。
Q3236有加前置分頻器和非預(yù)分頻兩種工作狀態(tài)。工作在非預(yù)分頻狀態(tài)時VCO輸出頻率最高可達(dá)300 MHz,在前置分頻器狀態(tài)時VCO輸出頻率最高可達(dá)2.0 GHz。因為頻率源輸出1372 MHz,所以設(shè)計采用前置分頻器、直接并行輸入模式。參考分頻器分頻比編程只使用R0~R3位。 Fref/FPD=R+1;即35 MHz/7 MHz=5,對參考輸入信號35 MHz進(jìn)行5分頻,所以R=4。R0,R1=“Low”,R2=“High”,R3=“Low”。壓控振蕩器輸出的高頻信號1 372 MHz利用M和A計數(shù)器進(jìn)行N分頻,N=Fvco/FPD=10*(M+1)+A,A≤M+1,M≠0。
Q3236具體電路圖如圖2所示。
2.2 環(huán)路濾波器設(shè)計
鎖相倍頻源的核心部分是環(huán)路濾波器的設(shè)計,因為環(huán)路濾波器的傳輸函數(shù)直接決定了整個環(huán)路的傳輸函數(shù)。從而在很大程度上決定了環(huán)路的噪聲性能、穩(wěn)定性、捕獲和跟蹤性能等。Q3236需要外接環(huán)路濾波器和壓控振蕩器才能構(gòu)成一個完整的頻率綜合器。
常用的環(huán)路濾波器是一個線性低通濾波器,它可以濾除誤差電壓中的高頻分量和噪聲。常用的有RC積分濾波器、無源比例積分濾波器和有源比例積分濾波器。由傳遞函數(shù)可知,有源比例積分濾波器具有兩個獨立可調(diào)整的參數(shù),并且具有滯后一超前特性,有利于環(huán)路穩(wěn)定,于是本設(shè)計利用低噪聲運放OP27及R,C元件組成一階有源比例低通濾波器實現(xiàn),主要參數(shù)是環(huán)路帶寬和相位裕量等。
(1)環(huán)路帶寬
環(huán)路帶寬(Fn)是指開環(huán)傳遞函數(shù)幅度等于1時的頻率,是環(huán)路濾波器設(shè)計的關(guān)鍵指標(biāo)。如果鎖相環(huán)的抖動主要由外部信號噪聲引起,那么環(huán)路帶寬應(yīng)該越窄越好,這樣可以抑制外部信號噪聲,尤其是參考信號中的噪聲;如果需要有效抑制壓控振蕩器的噪聲,并且獲得良好的跟蹤和捕獲性能,環(huán)路帶寬應(yīng)越寬越好。需要折中考慮,環(huán)路帶寬一般取跳頻間隔的1/60,鑒相器跳頻間隔7 MHz,所以Fn=100 kHz,硬件調(diào)試時可以根據(jù)需要調(diào)整。
(2)相位裕量
相位裕量(φc)是指在開環(huán)傳遞函數(shù)幅度等于1時的相位相加180°的和。它與系統(tǒng)穩(wěn)定性有關(guān),相位裕量選擇越低,系統(tǒng)越不穩(wěn)定,相位裕量選擇越大,系統(tǒng)越穩(wěn)定,但系統(tǒng)的阻尼振蕩越小,即以增加鎖定時間為代價。要考慮適合的相位裕量,一般是40~55°之間,最優(yōu)選相位裕量φc=45°。
為了將環(huán)路性能調(diào)到最佳,R1/2和電阻R2可選用相應(yīng)阻值的電位器。環(huán)路濾波器電路圖如圖3所示。采用頻率補償技術(shù),在放大器外部增加一個補償極點,由R1,Cc組成低通實現(xiàn),在保證一定增益裕度或相位裕度的前提下獲得較大的環(huán)路增益。電阻R1分開成兩個R1/2,避免相位檢測出現(xiàn)電壓偏差。
2.3 環(huán)路濾波器參數(shù)計算
鎖相環(huán)的系統(tǒng)性能歸結(jié)起來可以用三個重要參數(shù):環(huán)路增益K、阻尼系數(shù)ζ及固有振蕩角頻率ωn來表征,這些參數(shù)按應(yīng)用的要求而定,并決定著系統(tǒng)的整個設(shè)計。
(1)環(huán)路增益K
它決定著系統(tǒng)的捕捉帶、穩(wěn)態(tài)誤差和開環(huán)寄生相移。從噪聲抑制來講,希望大的Kφ(鑒相器增益)和小的Kv(VCO壓控靈敏度),因為VCO的控制輸入端是系統(tǒng)對噪聲最敏感之處。
(2)阻尼系數(shù)ζ
阻尼系數(shù)越大,系統(tǒng)的超調(diào)量和過渡振蕩常數(shù)越小,系統(tǒng)越穩(wěn)定。但當(dāng)系統(tǒng)工作在過阻尼狀態(tài)時,ζ的增大將增加過渡時間,降低系統(tǒng)的跟蹤速度,一般選取0.5<ζ<1。ζ=ωnT2/2,ζ取最優(yōu)值0.85,時間常數(shù)T2=R2C。
(3)ωn選取
ωn決定著系統(tǒng)的環(huán)路帶寬Fn、噪聲帶寬BL、捕捉帶和捕捉時間,ωn越大則Fn,BL越大,則系統(tǒng)的捕捉時間和過渡過程時間變短,即系統(tǒng)反應(yīng)迅速,但系統(tǒng)抑制噪聲的能力下降。固有振蕩角頻率為:
Cc的引入主要是為濾除鑒相器產(chǎn)生的諧波,避免鑒相器出現(xiàn)電壓偏差。其引入的極點應(yīng)遠(yuǎn)離主極點,一個原則是Fc>10Fn,其中Fc=1/2πTc,Tc=R1Cc/4,是R1/2,Cc低通濾波器引入的極點。
即ωc=4/R1Cc>10ωn,于是Cc<4/(10ωnR1)。
如果C=4 700 pF,可以計算出R1,R2,Cc:
R1=KvKφ/(*****NC)=306 Ω,其中,N=196是鎖相環(huán)分頻次數(shù);
3 實驗結(jié)果
按照以上設(shè)計研制出了功能樣機,用頻譜分析儀測試輸出信號頻率特性,雜散抑制如圖4所示,輸出頻譜如圖5所示。
4 結(jié)語
本文利用集成鎖相頻率合成芯片Q3236實現(xiàn)的L波段頻率源具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、功耗低、相位噪聲低等特點。為了得到低噪聲、高穩(wěn)定度的頻率,應(yīng)選擇具有高穩(wěn)定度、低相位噪聲的參考源,鑒相器、壓控振蕩器都必須選擇低噪聲器件。隨著頻率綜合技術(shù)、集成電路技術(shù)以及工藝的不斷發(fā)展,單片集成頻率綜合器也正在向更大規(guī)模、更高速度的方向發(fā)展。