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          基于ADF4106的鎖相環(huán)頻率合成器

          作者: 時(shí)間:2011-07-05 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          介紹了鎖路的基本原理,分析了集成鎖芯片的工作特性,給出了集成鎖芯片的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例,為高頻的設(shè)計(jì)提供了很好的思路。
          關(guān)鍵詞:,鎖相環(huán),,環(huán)路濾波器?

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/150515.htm


          1 引言
          在無(wú)線通信領(lǐng)域中,高性能源是通信設(shè)備、雷達(dá)、電子偵察和對(duì)抗設(shè)備、精密測(cè)量?jī)x器的核心部件?,F(xiàn)代通信系統(tǒng)對(duì)頻率源的精度、分辨率、轉(zhuǎn)換時(shí)間及頻譜純度等提出了越來(lái)越高的要求,性能卓越的頻率源均通過(guò)頻率合成技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文所討論的鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)是鎖相環(huán)路的同步原理,由一個(gè)高準(zhǔn)確度、高穩(wěn)定度的參考晶體振蕩器,綜合出大量離散頻率的一種技術(shù)。鎖相環(huán)頻率是一種相位鎖定裝置,是一種頻率穩(wěn)定度較高的離散間隔型頻率信號(hào)發(fā)生器。
          2 鎖相環(huán)頻率合成器的基本原理
          鎖相環(huán)是頻率合成技術(shù)的基礎(chǔ)。鎖相環(huán)路(PLL)通常由鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LP)、壓控振蕩器(VCO)和可變程序分頻器組成。
          鎖相環(huán)路是一個(gè)相位誤差控制系統(tǒng),它比較輸入信號(hào)與壓控振蕩器輸出信號(hào)之間的相位差,產(chǎn)生一個(gè)對(duì)應(yīng)于兩個(gè)信號(hào)相位差的誤差電壓,該誤差電壓經(jīng)處理后去調(diào)整壓控振蕩器的頻率(相位)。當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí),輸入信號(hào)與壓控振蕩器輸出信號(hào)頻差為零,相位差不再隨時(shí)間變化,此時(shí),誤差控制電壓為一固定值,壓控振蕩器輸出頻率與輸入信號(hào)頻率相等,即fo=fr。鎖相環(huán)路的這一特點(diǎn),使它在自動(dòng)頻率控制中得到應(yīng)用,以實(shí)現(xiàn)精確的頻率控制。環(huán)路在鎖定時(shí)要得到一定的控制電壓,則鑒相器必須有一個(gè)非零的輸出,即,環(huán)路作用必須有相位差,相位差維持著兩信號(hào)的同步,使輸出信號(hào)頻率穩(wěn)定。
          鎖相環(huán)基本原理方框圖如圖1所示。?

          鑒相器又稱比相器,對(duì)輸入信號(hào)與環(huán)路輸出信號(hào)的相位進(jìn)行比較, 產(chǎn)生誤差控制電壓;環(huán)路濾波器濾除誤差電壓中的高頻分量和噪聲,以保證環(huán)路所要求的性能,增加環(huán)路的穩(wěn)定性;壓控振蕩器的振蕩頻率受環(huán)路濾波器輸出電壓的控制,使壓控振蕩器輸出信號(hào)頻率向輸入信號(hào)頻率靠攏,兩個(gè)信號(hào)間的相位差減小??勺兂绦蚍诸l器的作用是使壓控振蕩器的輸出頻率經(jīng)分頻后再與參考頻率進(jìn)行相位比較,從而產(chǎn)生誤差控制電壓,并以誤差控制電壓來(lái)調(diào)整壓控振蕩器的相位。
          鎖相環(huán)路對(duì)高穩(wěn)定度的參考振蕩器(通常是晶體振蕩器)鎖定,環(huán)路串接可編程的程序分頻器,通過(guò)編程改變程序分頻器的分頻比R、N,從而獲得N/R倍參考頻率的穩(wěn)定輸出。頻率合成器輸出頻率fo與晶體振蕩器參考頻率fr的關(guān)系為

          其中,R是固定分頻比,N是程序(可變)分頻比,fr是晶振輸出的參考頻率,fo是頻率合成器的輸出頻率。
          3 ADF4106的鎖相環(huán)頻率合成器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
          3.1 集成鎖相環(huán)芯片ADF4106介紹
          ADF4106是美國(guó)ADI公司最新生產(chǎn)的鎖相環(huán)芯片,它是一種頻率上限高、性能好的集成數(shù)字鎖相環(huán)頻率合成器芯片,在一塊很小的芯片中集成了鎖相環(huán)頻率合成器的多種重要部件,只需再合理搭配上一、二塊集成電路和少量的外圍電路,即可構(gòu)成一個(gè)完整的低噪聲、低功耗、高穩(wěn)定度的可靠性很高的頻率合成器,設(shè)計(jì)應(yīng)用簡(jiǎn)單靈活,且易于減小系統(tǒng)體積。ADF4106的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。?

          集成鎖相環(huán)芯片ADF4106具有較高的工作頻率,最高達(dá)到6.0GHz,它主要應(yīng)用于無(wú)線發(fā)射機(jī)和接收機(jī)中,為上下變頻提供本振信號(hào)。該芯片主要由低噪聲數(shù)字鑒相器,精確電荷泵,可編程參考分頻器,可編程A、B計(jì)數(shù)器及雙模前置分頻器(P/P+1)等部件組成。數(shù)字鑒相器用來(lái)對(duì)R計(jì)數(shù)器和N計(jì)數(shù)器的輸出相位進(jìn)行比較,然后輸出一個(gè)與二者相位誤差成比例的誤差電壓。鑒相器內(nèi)部還有一個(gè)可編程延遲單元,用來(lái)控制翻轉(zhuǎn)脈沖的寬度,這個(gè)翻轉(zhuǎn)脈沖保證鑒相器的傳遞函數(shù)沒(méi)有死區(qū),因此,降低了相位噪聲和參考雜散。精確電荷泵采用可編程電流設(shè)置完成輸出??删幊虆⒖挤诸l器實(shí)際上是一個(gè)14bit的R計(jì)數(shù)器,主要完成對(duì)外部恒溫晶振進(jìn)行分頻,分頻比的范圍是1至16383,從而得到參考頻率??删幊藺、B計(jì)數(shù)器及雙模前置分頻器(P/P+1)共同完成主分頻比N(N=BP+A), 雙模前置分頻器(P/P+1)也是可編程的,P的取值有幾種模式:8/9,16/17,32/33,64/65。
          ADF4106的最大特點(diǎn)就是它的極高的工作頻率,使得許多高頻系統(tǒng)的倍頻裝置得以精簡(jiǎn),還簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),降低了功耗和設(shè)備成本。因此,它在高頻電路系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。
          3.2 ADF4106應(yīng)用實(shí)例
          以ADF4106為核心,選擇適合應(yīng)用需要的外部壓控振蕩器,設(shè)計(jì)相應(yīng)的環(huán)路濾波器,即可構(gòu)成低噪聲、低功耗、高穩(wěn)定度的頻率合成器。
          圖3是某發(fā)射機(jī)中頻率合成器的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例,其工作頻率范圍為5.4GHz~5.8GHz。在該頻率合成器中,外部高精度高穩(wěn)定的10MHz參考時(shí)鐘經(jīng)50Ω的匹配電阻,接到ADF4106的參考時(shí)鐘輸入端(REFin),經(jīng)內(nèi)部參考分頻器(除10)后得到1MHz的參考頻率間隔。ADF4106內(nèi)部電荷泵的輸出驅(qū)動(dòng)環(huán)路濾波器采用三階無(wú)源低通濾波器,參數(shù)設(shè)置:相位裕量φp=45°,鑒相器靈敏度Kd=2.5mA,壓控振蕩器靈敏度?K0=80MHz/V, 環(huán)路帶寬ωp=50Hz, 參考頻率間隔FREF=1MHz,參考分頻比R=10,主分頻比N=RFOUT/FREF=5800,濾波器的附加衰減ATTEN=10dB。


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