應(yīng)用LMX2370設(shè)計(jì)雙鎖相環(huán)頻率合成器

摘要：介紹了美國國家半導(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

1 LMX2370簡介

LMX2370是美國國家半導(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)及工件原理

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；壓控振蕩順（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)行相位比較我，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（LD）為高電平。

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。

表1

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MICROWIRE TM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。

表2

（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LD3，LD2、LD1、LD0）用于選擇FOLD輸出方式，當(dāng)LD3LD2LD1LD0編程為0001時(shí)，F(xiàn)OLD輸出主環(huán)鎖定信號(hào)；編程為0100時(shí)，F(xiàn)OLD輸出副環(huán)的鎖定信號(hào)；編程為0101時(shí)，F(xiàn)OLD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=1tfrc32/33;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900Mz，第二中頻為20MHz或70Mz。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作業(yè)核心芯片，外接晶體振蕩器、無源環(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溫被晶體振蕩器，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2ms），但需盡量降低噪聲。為此選擇三階無源濾波器（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,Kφ=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。

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的三路輸出中同，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。