射頻鎖相頻率合成器的設計與仿真

摘要：頻率合成器可以提供大量精確、穩(wěn)定的頻率作為無線通信設備的本振信號。簡要介紹了鎖相環(huán)頻率合成器的基本原理，并利用整數(shù)N鎖相芯片ADF4112設計了一個寬波段的頻率合成器。討論了其中主要元器件的選擇和環(huán)路濾波器的設計，利用先進設計系統(tǒng)(Advanced Design System，ADS)仿真軟件對設計方案進行頻城和瞬態(tài)響應仿真，并使用其中的優(yōu)化工具對各個參數(shù)進行優(yōu)化。仿真與優(yōu)化結果驗證了頻率合成器的可行性，同時可以得到優(yōu)化后環(huán)路濾波器的參數(shù)。
關鍵詞：射頻；頻率合成器；環(huán)路濾波器；ADS仿真

在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，對頻率源的頻率穩(wěn)定度和準確度的要求越來越高，只采用晶振是不能滿足需要的。而頻率合成技術則是利用一個或多個高穩(wěn)定度的晶體振蕩器產(chǎn)生一系列等間隔的、離散的、高穩(wěn)定度的頻率，可為通信設備提供大量精確且能迅速轉換的載波信號和本振信號，完全滿足現(xiàn)代通信的需要。其中鎖相頻率合成器具有工作頻帶寬、工作頻率高、頻譜質量好、方案簡單、造價低等優(yōu)點，在目前現(xiàn)有的頻率合成方法中應用最為廣泛。

1 鎖相環(huán)頻率合成器的基本原理
一個典型的頻率合成器主要由鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LF)、壓控振蕩器(VCO)和可編程分頻器組成。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

基本工作原理是由晶體振蕩器提供參考輸入信號，經(jīng)分頻后得到鑒相頻率fi與來自VCO的輸出信號fo經(jīng)N分頻后得到的反饋信號進行鑒相，所產(chǎn)生的相位誤差信號，經(jīng)電荷泵作用后轉換為與相位誤差成比例的正／負電流脈沖串，然后利用環(huán)路濾波器對來自電荷泵的電流脈沖求積分，向VCO調諧端口提供干凈的電壓，從而實現(xiàn)對VCO的頻率控制。當環(huán)路鎖定時，輸出頻率與鑒相頻率的關系如下：

N分頻器的分頻比不同時，輸出頻率fo也隨之變化。所以，只需要選擇合適的晶體振蕩器和選擇合適的N值就能產(chǎn)生所需要的頻率信號。

2 鎖相頻率合成器方案的設計
設計的頻率合成器的技術指標為輸出頻率1580～2500MHz，頻率間隔200kHz，輸出雜散優(yōu)于-65dBc，輸出相噪優(yōu)于-80dBe／Hz@1 kHz。根據(jù)技術指標來選擇合適的芯片，其中鎖相環(huán)器件選用ADI公司的ADF4112芯片，該芯片集成了鑒相器和可編程分頻器，最大工作頻率為3GHz，相位噪聲基底可達-215 dBc／Hz。VCO采用Crystek公司的CVC055BE-1530-2700，其頻率范圍為1530～2700MHz，靈敏度為140MHz／V，輸出功率65dBm，相位噪聲-87dBc／Hz@10kHz。
環(huán)路濾波器的設計是頻率合成器設計的最重要的一個部分，它的性能好壞直接關系到鎖相輸出的相位噪聲和雜散指標。由于本系統(tǒng)輸出頻帶范圍比較大，VCO所需的控制電壓最高達到7．5V，高于所選鎖相環(huán)芯片中電荷泵所能提供的最高供電電壓，所以使用無源環(huán)路濾波器不足以達到控制VCO所需的調諧電壓值，必須使用具有放大功能的有源濾波器。為了抑制有源器件產(chǎn)生的噪聲，一般使用三階以上的有源環(huán)路濾波器，電路如圖2中所示。這種結構采用同相放大器，不需要專用偏置，比較直觀、簡便。電阻R3和R4用來控制電路的增益，增益大小A表示為：

而且，電阻R4和R3的取值必須足夠大，以保證其消耗的電流不超出范圍。C3和R2有邊帶濾波作用，C1、C2和R1則用來調整環(huán)路帶寬、阻尼系數(shù)、相位噪聲等參數(shù)。

其中運算放大器采用ADI公司的AD820，該運算放大器具有可單電源供電、軌到軌、低噪聲等特點，滿足本設計的要求。系統(tǒng)整體電路圖如圖2所示。