摘? 要: 介紹了美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司新推出的低功耗單片雙鎖相環(huán)芯片LMX2370的結(jié)構(gòu)、原理、特點(diǎn),給出了LMX2370在V/UHF航空電臺(tái)頻率合成器中的應(yīng)用實(shí)例。
關(guān)鍵詞: 鎖相環(huán)? 頻率合成器? 通信
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1 LMX2370簡(jiǎn)介
LMX2370是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司新推出的高性能、低功耗、雙鎖相環(huán)芯片，其主要特點(diǎn)有:寬工作電壓2.7～5.5V;超低功耗(6mA);低相位噪聲層;雙模前置分頻比可編程(主環(huán)P=32/33或16/17,副環(huán)P=16/17或8/9);工作頻率高,主環(huán)達(dá)2.5GHz(P=32/33)或1.2GHz(P=16/17),副環(huán)達(dá)1.2GHz(P=16/17)或550MHz(P=8/9)。
1.1 LMX2370的結(jié)構(gòu)及工作原理
LMX2370的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。它包含兩路鑒相器、電流充電泵、可編程15bit參考分頻器R和反饋頻率分頻器N。其中,N分頻器由可編程前置分頻器P、整數(shù)分頻器B和吞除計(jì)數(shù)器A組成,N=PB+A。來(lái)自外部晶體振蕩器的信號(hào)(OSCin)經(jīng)R分頻后,作為參考頻率fr,加到鑒相器;壓控振蕩器(VCO)的反饋頻率fvco,經(jīng)N分頻后,也加到鑒相器。鑒相器對(duì)兩輸入信號(hào)進(jìn)行相位比較,驅(qū)動(dòng)電流充電泵輸出誤差信號(hào),經(jīng)片外環(huán)路濾波器濾波后,形成調(diào)諧電壓,調(diào)整VCO頻率,直至環(huán)路鎖定,fvco=N·fr,此時(shí)鎖定檢測(cè)(LD)為高電平。
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1.2 LMX2370引腳功能
LMX2370的封裝形式有20腳TSSOP和24腳CSP。各引腳功能如表1所示。
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1.3 LMX2370的三線串行接口及編程數(shù)據(jù)格式
LMX2370提供了符合MICROWIRETM協(xié)議的三線串行接口線:時(shí)鐘、數(shù)據(jù)、使能。在時(shí)鐘上升沿,數(shù)據(jù)移入移位寄存器,最高有效位(MBS)先入;在使能上升沿,移位寄存器的22位數(shù)據(jù)將鎖存到串行數(shù)據(jù)最后2位(地址位)所指定的鎖存器。
22位串行編程數(shù)據(jù)格式如表2所示。
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(1)Bit1和Bit0是4個(gè)鎖存器(主環(huán)的N和R鎖存器,副環(huán)的N和R鎖存器)的地址。
(2)反饋頻率分頻比N=PB+A,A的分頻比范圍為0～31，B的分頻比范圍為3～8191。要求B≥A,N≥Nmin=P·(P-1)。參考分頻比R的范圍為2～32767，但R的選擇必須使fr≤10MHz。
(3)R鎖存器中,Bit19用于選擇充電泵輸出方式,Bit19=0為正常方式,Bit19=1為三態(tài)方式。Bit18用于選擇充電泵輸出電流幅度,Bit18=0選擇±1mA， Bit18=1選擇±4mA。Bit17用于選擇鑒相器極性, VCO壓控系數(shù)為負(fù)時(shí)選擇Bit17=0,壓控系數(shù)為正時(shí)選擇Bit17=1。Bit21和Bit20(分別記為L(zhǎng)D3、LD2、LD1、LD0)用于選擇FOLD輸出方式,當(dāng)LD3LD2LD1LD0編程為0001時(shí),FOLD輸出主環(huán)的鎖定信號(hào);編程為0100時(shí),FOLD輸出副環(huán)的鎖定信號(hào);編程為0101時(shí),FOLD輸出主環(huán)和副環(huán)鎖定“與”信號(hào);其它編碼組合用于輸出鑒相器輸入端的頻率信號(hào)。
(4)N鎖存器中,Bit20用于選擇前置分頻比P,對(duì)主環(huán),Bit20=0選擇16/17,Bit20=1選擇32/33;對(duì)副環(huán),Bit20=0選擇8/9,Bit20=1選擇16/17。Bit21用于選擇電源工作方式,Bit21=0選擇正常方式, Bit21=1選擇省電(體眠)方式。
2 LMX2370應(yīng)用舉例
這里,以某型V/UHF航空收發(fā)信機(jī)為例,說(shuō)明LMX2370在該設(shè)備頻率合成器中的應(yīng)用。
2.1 V/UHF航空收發(fā)信機(jī)頻率合成器要求
該收發(fā)信機(jī)的收發(fā)工作頻率為30～399.975MHz,頻率間隔為25kHz,頻率穩(wěn)定度為±1ppm;第一中頻為900MHz,第二中頻為20MHz或70MHz。一本振為930～1299.9MHz,頻率間隔為100kHz;二本振為829.925～830MHz或879.925～880MHz,頻率間隔為25kHz。
2.2 合成器電路設(shè)計(jì)
依據(jù)頻率合成器的要求,選擇LMX2370作為核心芯片,外接晶體振蕩器、無(wú)源環(huán)路濾波器和VCO,構(gòu)成如圖2所示的電路。
2.2.1 晶體振蕩器
N7選用8MHz溫補(bǔ)晶體振蕩器,其頻率穩(wěn)定度為±1ppm。
2.2.2 VCO
N3(VCO1)和N5(VCO2)選用HE403。HE403的電源電壓為12V,工作頻率范圍為800~1500MHz,調(diào)諧電壓范圍為0~20V,輸出功率≥13dBm,頻偏10kHz時(shí)相位噪聲為-100dBc/Hz。
2.2.3 LMX2370的編程
LMX2370的編程數(shù)據(jù)、時(shí)鐘、使能信號(hào)由微控制器(87C552)提供。
設(shè)置主環(huán)R=80,副環(huán)R=320,于是主環(huán)fr1=100kHz,副環(huán)fr2=25kHz。由fvco1和fr1，可計(jì)算出主環(huán)的N=9300～12999；由fvco2和fr2，可計(jì)算出副環(huán)的N=33117～35200。前置分頻比P的選擇,需考慮VCO的頻率范圍且滿足N≥Nmin=P·(P-1)的原則。依據(jù)主、副環(huán)的VCO頻率和分頻比N,選擇主環(huán)P1=32/33,副環(huán)P2=16/17。選擇CPO的極性為正(因HE403的壓控系數(shù)為正),電流幅度為±4mA,三態(tài)輸出方式;設(shè)置 LD3LD2LD1LD0=0101,即選擇FOLD輸出雙環(huán)綜合鎖定信號(hào)。
2.2.4? 鎖定檢測(cè)電路
在環(huán)路鎖定時(shí)，F(xiàn)OLD輸出高電平,但存在很窄的負(fù)脈沖。為此,設(shè)置了由T1組成的FOLD信號(hào)處理電路。雙環(huán)均鎖定時(shí),“合成器自檢”輸出線為穩(wěn)定的低電平,該信號(hào)送微控制器,供電臺(tái)自檢狀態(tài)使用。
2.2.5 環(huán)路濾波器
環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)主要是確定合理的環(huán)路帶寬。本合成器的鎖定時(shí)間要求不高(不超過(guò)2ms),但需盡量降低噪聲。為此選擇三階無(wú)源濾波器(主環(huán)中的C15、C16、R1、R5和C17,副環(huán)中的C24、C25、R8 R9和C26),以增大對(duì)鑒相頻率泄漏干擾的抑制。在主環(huán)中,VCO1輸出頻率1300MHz所需的調(diào)諧電壓約12V,而環(huán)路濾波器的最大輸出電壓只有5V,為此,在環(huán)路濾波器插入了一級(jí)直流放大器(Av=3)。
已知主環(huán)參數(shù):Kvco=50MHz/V，K=4mA,fr=100kHz;選擇:主環(huán)路帶寬為10kHz,相位裕度為45°,R5、C17對(duì)100kHz鑒相頻率泄漏干擾的附加衰減為20dB;依據(jù)鎖相環(huán)的相位模型和環(huán)路濾波器元件參數(shù)計(jì)算式(詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)2),得出主環(huán)環(huán)路濾波器的各元件參數(shù)如圖2所示;又知副環(huán)參數(shù):Kvco=50MHz/V，Kφ=4mA,fr=25kHz;選擇副環(huán)路帶寬為5kHz,相位裕度為45°,R9、C26對(duì)25kHz附加衰減為20dB,同理可計(jì)算出副環(huán)濾波器各元件參數(shù)如圖2所示。
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2.2.6 VCO輸出級(jí)
選用DS323三路功率分配器作為VCO輸出級(jí)。DS323的三路輸出中,第一路作為接收機(jī)本振信號(hào),第二路加到發(fā)射機(jī)載波產(chǎn)生電路,第三路作為環(huán)路反饋信號(hào)。為了使VCO的輸出功率主要供給前兩路負(fù)載,在反饋輸入端設(shè)置100Ω電阻(主環(huán)中的R6,副環(huán)中的R11)。
????經(jīng)實(shí)用測(cè)試,一本振輸出功率為4.3dBm， 雜散抑制-63dBc，偏離中心頻率10kHz的相位噪聲為-72dBc/Hz;二本振輸出功率為5.1dBm,雜散抑制-66dBc，偏離中心頻率10kHz的相位噪聲為-75dBc/Hz。
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參考文獻(xiàn)
1 LMX2370/LMX2371/LMX2372 PLLatinum Dual Frequency Synthesizer for RF Personal Communications.National Semiconductor Corporation， March 1999
2 LMX2320 PLLatinum Frequency Synthesizer for RF?Personal Communications. National Semiconductor Corporation， September 1996