用集總LC元件的VCO構(gòu)成155.520MHz鎖相時鐘頻率源
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摘要：介紹了一種用MAX2620構(gòu)建的窄帶壓控振蕩器（VCO），在此基礎(chǔ)上介紹其與鎖相環(huán)芯片Q3236一起構(gòu)建SDH專用的155.520MHz點頻鎖相式時鐘源的設(shè)計方案。該時鐘源具有低噪聲、高穩(wěn)定性等特點，并且成本低廉，具有良好的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：時鐘源 SDH 鎖相環(huán) 壓控振蕩器（VCO）
SDH作為一種傳輸體制，在我國得到了廣泛應(yīng)用。目前國內(nèi)SDH主干網(wǎng)大多的10G光纖網(wǎng)，隨著光通信技術(shù)的發(fā)展，傳輸速率還將不斷提高。SDH網(wǎng)同步結(jié)構(gòu)通常采用主從同步方式，要求所有網(wǎng)元時鐘的定時都能最終跟蹤全網(wǎng)的基準主時鐘。ITU-T對SDH各節(jié)點的時鐘參數(shù)如時鐘的中心頻率、頻率準確度、穩(wěn)定度、時鐘的抖動和漂移等以及牽入范圍、牽出范圍、保持范圍等都作了嚴格的規(guī)定[1]。在SDH系統(tǒng)中，是以155.520Mbit/s的同步傳送模塊（STM-1）作為基本的信息模塊，而高速率的信號是將N個STM-1信號同步復用，形成STM-N[2]，因此SDH網(wǎng)中大量使用155.520MHz的時鐘源作為網(wǎng)元定時時鐘。本文將介紹如何用集成電路MAX2620和集點LC元件構(gòu)成窄帶VCO電路模塊，進而同鎖相環(huán)芯片Q3236一起構(gòu)成鎖相環(huán)式的低噪聲、高穩(wěn)定性的155.520MHz時鐘電路。
1 電路方案設(shè)計
圖1所示為鎖相環(huán)（PLL）的基本電路組成[3]。其中REF代表參考信號源，1/R為參考源分頻器，PD為相位檢波器，LF為環(huán)路濾波器，VCO為壓控振蕩器，1/N為N分頻器。
SDH專用的155.520MHz的VCXO（壓控晶振），國外已有，但國產(chǎn)的很少，而且價格比較昂貴。而一般的VCO器件，例如Varil、Mini、Vectron、Mti、MicroNetworks等公司推出的100MHz～200MHz、75MHz～160MHz、140MHz～170MHz等器件都是寬頻段使用的。SDH中的時鐘源是固定的點頻，如STM-1是155.520MHz，因而用上面的那些寬頻段的VCO來設(shè)計這種點頻電路并不合適，這就需要設(shè)計一個窄帶的而且相位噪聲性能優(yōu)越的VCO。雖然可以用分立晶體管、諧振回路以及緩沖放大器來構(gòu)成VCO電路，但相比于IC芯片，穩(wěn)定性差、受電源及分布參數(shù)影響大、調(diào)試不方便。MAXIM公司的MAX2620是一個可工作于羅寬頻率范圍（10～1050MHz）的集成振蕩器芯片，具有高頻雙極工藝所特有的低閃爍噪聲、低噪聲系數(shù)和低寄生rb的特點。用戶可以根據(jù)自己的需要配適當?shù)恼袷幓芈?，設(shè)計出所需中心頻率的壓控振蕩器電路。MAX2620內(nèi)部有源器件對諧振回路的負載極輕，從而使振蕩回路具有較高的有載Q值，因而可以用來設(shè)計窄帶的155.520MHz點頻的壓控振蕩器電路。
由相位噪聲理論可知，鎖相環(huán)路中分頻比越大，從輸入到輸出的相位噪聲指標的損失也就越大，所以時鐘電路的鑒相頻率設(shè)定為19.440MHz，以使得鑒相頻率盡可能高，鎖相環(huán)分頻比小。常規(guī)的PLL集成電路如Motorola的MC14515X系列，鑒相頻率最高為2MHz，不能適用。QualComm的Q3236，鑒相頻率可達到上百MHz，可應(yīng)用于此項設(shè)計中。
2 155.520MHz的VCO設(shè)計
MAXIM公司的MAX2620是一使用極其方便的振蕩器芯片，它的內(nèi)部組成示意圖[4]如圖2所示。
MAX2620提供一個緩沖放大輸出級，能夠減少負載變化對振蕩器頻率的影響。供電電壓范圍在+2.7V～+5.25V之間，內(nèi)部設(shè)有偏置電路穩(wěn)定其工作點，使工作受電源波動的影響小，并具有電源關(guān)斷能力，由SHDN端控制。兩個互補的輸出（即OUT和OUT），可以構(gòu)成兩個單端輸出或一個差分輸出。由于是集電極開路輸出，輸出端需要上拉到Vcc?？梢杂秒姼谢螂娮鑱砩侠?，但是對于差分輸出，兩端上應(yīng)采用相同的方式。對于50Ω的負載，用電感上拉時，單端輸出電平可達-6dBm(峰-峰電壓為320mV)；而用電阻上拉時，輸出可達-10dBm(200mV)。在本設(shè)計中MAX2620的兩路輸出，一路輸出到PLL以供鑒相使用。為使穩(wěn)定性 好，此路用電阻上拉。另一路輸出，經(jīng)過緩沖放大，作為時鐘輸出，為了使其輸出功率大，用電感上拉。
此電路的形式是典型的Colpitts共集電極拓樸結(jié)構(gòu)，此種拓樸結(jié)構(gòu)可工作在很寬的頻率范圍內(nèi)，從中頻直到射頻[4]。MAX2620手冊中說明其工作頻率范圍為10MHz～1050MHz。諧振回路在圖3的左方，經(jīng)過pin（2）,pin(3)接入，主要包括電容C0～C4、諧振電感L1、變?nèi)莨蹸var，調(diào)諧電壓經(jīng)過電阻Rt接入。
對于155.520MHz點頻時鐘源的壓控振蕩器，不需要寬的調(diào)諧范圍。利用這一點，變?nèi)莨芸赏ㄟ^C0接入諧振回路。為了減輕耦合，C0值取為1.8pF。變?nèi)莨蹸var可以選擇變通的MV2107,Cvar=22pF（偏置-4V時的電容量）。50MHz的Qmin=350，折算到155MHz，Q約為115。經(jīng)過C0后，諧振回路的等效Q升高至少5倍以上，達到了即例采用廉價的Q較低的變?nèi)莨?，也可設(shè)計出Q較高的諧振回路的目的。
諧振回路電感采用表面貼式的諧振電感，該電感具有輻射干擾小、受分布電容影響小、調(diào)試方便等特點。電感值選為47nH，當諧振頻率為155.520MHz時，由諧振公式f=2π（LCT開根號）得諧振回路總電容CT=22.34pF。經(jīng)過調(diào)試，VCO電路的具體元件參數(shù)如下：
Rt=1～3kΩ,Cvar用MV2107型變?nèi)莨?，諧振電感L1-=47nH，C0=1.8pF，C1=18pF，C2=5pF，C3=6.8pF,C4=4.3pF，輸出端OUT上拉電感L2為100nH，輸出端OUT上拉電阻RO=50Ω。
3 鎖相環(huán)芯片Q3236的介紹及其環(huán)路濾波器的設(shè)計
QualComm的Q3236是一種可在高達2GHz頻段工作的分頻次數(shù)可編程的數(shù)字鎖相環(huán)芯片，正常工作狀態(tài)下功耗小于0.6W。其內(nèi)部電壓[6]如圖4所示。
參考信號（REFIN）與VCO反饋信號（FVCO）輸入端均可設(shè)為差分輸入或單端輸入，并有較高的輸入靈敏度，電平要求為-10dBm～+5dBm，輸入阻抗為50Ω。
內(nèi)置VCO的分頻器工作于前置預(yù)分頻模式時，工作頻率可高達2GHz。由內(nèi)部的除10/11前置分頻器、4位的低位A計數(shù)器和9位的高位M計數(shù)器所構(gòu)成的吞脈沖計數(shù)器來完成總分頻N。當不用前置預(yù)分頻時，Q3236的工作頻率最高為300MHz。1/R為參考源分頻器。Q3236分頻器的置數(shù)方式有三種：串行模式、8位總線模式以及并行直接置數(shù)模式。
Q3236需要外接環(huán)路濾波器。在本設(shè)計中采用一階有源比例低通濾波器，如圖5所示。
采用低噪聲運放TLE2037及R、C元件構(gòu)成環(huán)路濾波器，R、C等元件值由鎖相環(huán)參數(shù)求出。
已知：
式中：τ1=(kdk0)/Nωn
τ2=2ξ/ωn
對于點頻時鐘電路，穩(wěn)定度高，所以選擇鎖相環(huán)3dB帶寬B3dB=1kHz，阻尼系數(shù)ξ=0.
707。已知Q3236的鑒相系數(shù)kd=302mV/rad，VCO在155.520處的壓控靈敏度k0=2π×80rad/s.V。在設(shè)定C=0.1μF和預(yù)濾波截止頻率為2.5kHz的條件下，代入上面的公式算得元件值如下：
R1/2=10kΩ；R2=4.3kΩ；Cp=0.02μF。
4 鎖相式時鐘電路
根據(jù)上面對鎖相環(huán)路各部分電路的分析和設(shè)計，可設(shè)計出下面的鎖相式時鐘電路方案，如圖6所示。
實際電路制作在一塊72mm×72mm的雙層板上，電源電壓為+5V。VCO的頻率覆蓋范圍為155.400043MHz～155.646042MHz，在155.520MHz處的壓控靈敏度ko為2π×80krad/s.V，兩路輸出電平，OUT端為-6dBm，OUT端為-10dBm。用高穩(wěn)綜合信號源作為參考信號，測得時鐘源輸出為155.52000MHz，輸出功率≥10dBm，信號純度高，雜散少。
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