基于芯片測試的環(huán)路濾波器設計

小數(shù)分頻頻率合成器在測試時必須外接一個環(huán)路濾波器電路與壓控振蕩器才能構(gòu)成一個完整的鎖相環(huán)電路。其外圍電路中環(huán)路濾波器的設計好壞將直接影響到芯片的性能測試。以ADF4153小數(shù)分頻頻率合成器為例，研究了其外圍環(huán)路濾波器的設計方法，給出了基于芯片測試的環(huán)路濾波器設計流程，并進行了驗證測試。測試結(jié)果表明，該濾波器可滿足小數(shù)分頻頻率合成器芯片測試的需要。

在進行小數(shù)分頻頻率合成器的芯片測試時，數(shù)字部分可以通過常規(guī)的數(shù)字測試方法即可以實現(xiàn)；而輸出射頻信號的相位噪聲、雜散噪聲則需要芯片工作在正常的輸出狀態(tài)下才能測試。小數(shù)分頻頻率合成器芯片在測試時需要與外接環(huán)路濾波器（LF）、壓控振蕩器（VCO）才能構(gòu)成完整的鎖相環(huán)回路，在具備正常的芯片功能的前提下才能實現(xiàn)對其相位噪聲、雜散噪聲下的測試。

一般而言，壓控振蕩器均使用現(xiàn)成的器件，在挑選器件時注意性能指標的匹配就可以，只有環(huán)路濾波器才是需要計算和設計的。環(huán)路濾波器在整個電路中主要作為一個低通濾波器，它將芯片鑒相器輸出的脈沖信號進行低通濾波，將高頻分量濾除，最終得到一個相對平滑的直流電壓信號去控制VCO工作，從而獲得一個穩(wěn)定的頻率輸出。環(huán)路濾波器的性能將直接影響到小數(shù)分頻頻率合成器芯片性能的測試。

本文以ADF 4153型小數(shù)分頻頻率合成器為例，給出了容易實現(xiàn)的三階環(huán)路濾波器的設計方法，能夠滿足芯片實際測試的需要。

1外接環(huán)路濾波器的設計

環(huán)路濾波器是電荷泵鎖相環(huán)電路的重要環(huán)節(jié)，它連接在電荷泵和壓控振蕩器之間。鎖相環(huán)的基本頻率特性是由環(huán)路濾波器決定的。實際上，正是由于環(huán)路濾波器的存在，鎖相環(huán)才可以選擇工作在任意的中心頻率和帶寬內(nèi)。環(huán)路濾波器的類型多種多樣，大致分為有源濾波器和無源濾波器兩大類，無源濾波器與有源濾波器相比，其優(yōu)點在于：結(jié)構(gòu)簡單、低噪聲、高穩(wěn)定度和易以實現(xiàn)。

最常見的無源濾波器是如圖1所示的三階濾波器。一般而言，環(huán)路濾波器的帶寬應為PFD頻率（通道間隔）的1/10.提高環(huán)路帶寬會縮短鎖定時間。但環(huán)路帶寬過大會大幅度地增加不穩(wěn)定性，從而導致鎖相環(huán)無法鎖定的狀態(tài)。

圖1三階環(huán)路濾波器

三階無源濾波器的傳遞函數(shù)為：

為了求取C1、C12、C3和R1、R2的取值，首先需要確定設計需要的帶寬及相位裕度，諸多文獻給出了詳細的求取步驟，在此不再敷述。然而，在實際的應用時，這種計算方法較為繁瑣，不利于工程設計使用。

ADI公司發(fā)布的ADIsimPLL頻率合成器設計軟件可以很方便地根據(jù)用戶的使用要求進行環(huán)路濾波器的設計。它將應用工程師從繁雜的數(shù)學計算中解脫出來。應用者只要輸入設置環(huán)路濾波器的幾個關鍵參數(shù)，ADISimPLL就可以自動地計算出所需要的濾波器元器件的數(shù)值。這些參數(shù)包括：鑒相頻率PFD，電荷泵電流ICP，環(huán)路帶寬BW，相位裕度，VCO控制靈敏度Kv，濾波器的形式（有源或無源，階數(shù)）。然而，在芯片測試時，如何盡可能地將外界電路（如環(huán)路濾波器）引入的噪聲降低，以測試出芯片的真實性能，這是芯片外圍電路設計時需要解決的問題。

2環(huán)路濾波器設計參數(shù)的選擇

為了研究環(huán)路濾波器對鎖相環(huán)輸出頻率相位噪聲的影響，設計出符合芯片測試需要的外圍環(huán)路濾波器。我們在ADIsimPLL軟件中進行了如下仿真配置。器件型號：ADF 4153，fPFD=25MHz（理想信號源），INT=69，F(xiàn)RAC=101，MOD=125，VCO采用ZComm公司的V674ME34-LF，在該配置下，預期輸出的RFOUT=1.7452GHz.

a）設定環(huán)路濾波器帶寬為20kHz，相位裕度50°，其相位噪聲的仿真情況如圖2所示。

圖2環(huán)路帶寬20kHz時的相位噪聲仿真圖

從圖2中可以得知，當環(huán)路濾波帶寬為20kHz時，VCO所引起的相位噪聲占據(jù)了主導地位。芯片所引起的相位噪聲則被淹沒在總輸出噪聲之下。換句話說，當環(huán)路帶寬較窄（如20kH）的情況下，針對鎖相環(huán)輸出信號進行相位噪聲測試，其結(jié)果并不能真正地反映芯片輸出的相位噪聲。

b）設定環(huán)路濾波器帶寬為100kHz，相位裕度50°，其相位噪聲的仿真情況如圖3所示。

圖3環(huán)路帶寬為100kHz時的相位噪聲仿真圖

從圖3中可以得知，當環(huán)路濾波帶寬為100kHz時，VCO對于總相位噪聲的貢獻顯著地降低，芯片所引起的相位噪聲占據(jù)了主導地位，在10kHz以內(nèi)，總相位噪聲輸出的曲線基本與芯片所引起的相位噪聲重合。由此可以得知，當環(huán)路帶寬較寬（如100kHz）的情況下，針對鎖相環(huán)輸出信號進行相位噪聲測試，其結(jié)果基本能真正反映芯片輸出的相位噪聲。

本文研究的ADF 4154的主要測試頻點為1.7452GHz（fPFD=25MHz，RSET=5.1k），根據(jù)測試要求進行綜合的考慮，設定了環(huán)路帶寬75kHz，相位裕度50°的約束條件。在進行ADF 4153的外圍電路設計時，首先需要確認所使用的VCO型號及其標稱性能。然后再根據(jù)ADI公司提供的ADIsim-PLL軟件進行三階環(huán)路濾波器的設計。從軟件得出C1~C3、R2、R3的具體取值，再根據(jù)現(xiàn)有的標稱電容電阻值進行調(diào)整，反算出實際設計的環(huán)路帶寬及相位裕度。實際數(shù)據(jù)如表1所示。