集成鎖相環(huán)頻率合成器LMX2320的原理與應用

摘要：介紹了美國National Semiconductor公司生產(chǎn)的鎖相式頻率合成器LMX2320的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及原理功能，深入研究了LMX2320的結(jié)構(gòu)特點，并在此基礎上給出了一個基于LMX2320的環(huán)路濾波器的設計方案，該方案可較好地滿足工程設計中對相位噪聲的要求。

關(guān)鍵詞：鎖相環(huán) 頻率合成 環(huán)路濾波 LMX2320

1 引言

美國國家半導體公司（National Semiconductor）生產(chǎn)的LMX2320是一種高性能的集成鎖相環(huán)頻率合成器芯片，它在一塊很小的芯片內(nèi)集成了鎖相式頻率合成器的多種重要部件，使用時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)成一個完整且可靠性很高的頻率合成器，該芯片設計應用簡單靈活，且能減小系統(tǒng)體積。

2 LMX2320的結(jié)構(gòu)及性能

2.1 LMX2320的結(jié)構(gòu)

圖1為LMX2320的結(jié)構(gòu)功能方框圖，它主要由數(shù)字鑒相器、參考振蕩器、參考分頻器、程序分頻器以及電流開關(guān)電荷泵等電路組成。其主要特性如下：

●工作頻率高達2.0GHz；

●電源電壓范圍為2.7～5.5V；

●電流消耗典值為10mA；

●具有64/65或128/129可選的雙模前置分頻器；

●內(nèi)含平衡式、低泄漏電荷泵；

●具有節(jié)能工作模式。在Vcc=3V時，電流消耗典型值為30μA；

●采用20腳TSSOP封裝。

2.2 LMX2320的引腳說明

LMX2320芯片各引腳的功能說明如下（括號內(nèi)的數(shù)字為引腳號）：

OSCin(1)、OSCout（3）：參考振蕩器的輸入端、輸出端，其中輸入端具有Vcc/2的輸入門限，由外部CMOS門或TTL門來驅(qū)動，也可用作外部提供的參考振蕩器緩沖器；

Vp(4)：電荷泵的工作電壓輸入端，其輸入電壓必須大于Vcc；

Vcc(5)：電源電壓輸入端，范圍為-0.3V～+6.5V。電源濾波的旁路電容應盡可能靠近該腳，并直接連接到地；

Do(6)：內(nèi)部電荷泵輸出端，可通過環(huán)路濾波來控制外部VCO；

GND（7）：地；

LD（8）：鎖定檢測輸出端，當環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時，該腳輸出高電平并有窄的負脈沖；

Fin(10)：前置分頻器輸入端，小信號輸入；

CLK（11）：高阻CMOS時鐘輸入端，數(shù)據(jù)在時鐘的上升沿進入各計數(shù)器和寄存器；

DATA（13）：高阻COMS二進制串行數(shù)據(jù)輸入端，數(shù)據(jù)傳輸順序為：高位在前低位在后；

LE（14）：使能輸入端，當LE端變?yōu)楦唠娖綍r，移位寄存器中的數(shù)據(jù)將送到相應的閉鎖。LE電平由高到低或由低到高變化時，CLK端必須保持在低電平（見圖2所示的時序圖）；

FC（15）：相位選擇控制端，低電平時鑒相器和電荷泵的極性反轉(zhuǎn)；

BISW（16）：模擬開關(guān)輸出端，當LE為高電平時，模擬開關(guān)接通，此時，內(nèi)部電荷泵的輸出信號才可經(jīng)BISW端送出（不影響Do端信號）；

Fout(17)：鑒相器輸入信號的監(jiān)控端，CMOS輸出；

Φp(18)、φr(20)：鑒相器的輸出端，用作外部電荷泵的輸入，其中φp是一N溝道晶體管的漏極開路輸出，使用時需接一上拉電阻，φr為CMOS輸出；

PWDN（19）：節(jié)能控制輸入端，高電平時為正常模式，低電平是為節(jié)能模式；

NC（2、9、12）：懸空不連；

圖2給出了CLK、DATA和LE端的控制信號時序。

3 典型應用

以LMX2320為核心，選擇適當?shù)耐獠縑CO，設計出相應的環(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是某通信信號模擬器中的一個頻率合成器組的應用實例。該頻率合成器的輸出頻率范圍較寬，為760MHz～940MHz，頻率間隔為25kHz，如選用20MHz的外部高精度恒溫晶振作參考振蕩器，則參考分頻比為800，環(huán)路總分頻比為30400～37600。該雙模前置分頻器工作于64/65模式，可用微機并口對其進行控制。LMX2320內(nèi)部的電荷泵輸出誤差電壓經(jīng)濾波后的可作為控制電壓來驅(qū)動壓控振蕩器JTOS1205。

4 環(huán)路濾波器的設計

在通信中，頻率合成器無論是用作發(fā)射機的激勵信號源，或者接收機的本地振蕩信號源，還是單獨作為無線電測量設備中的標準信號發(fā)生器時，都應保證很低的相位噪聲，否則通信質(zhì)量就無從談起。因此必須根據(jù)指標要求選擇高性能的頻率合成器芯片和低噪聲的VCO以及設計濾波特性良好的環(huán)路濾波器。環(huán)路濾波器的作用是抑制鑒相器輸出電壓中的載頻分量和高頻噪聲，降低由VCO控制電壓的不純而引起的寄存器輸出。由于各種雜散干擾信號在環(huán)路中所影響的位置不同，因此所表現(xiàn)的噪聲特性也有所不同，這樣在設計環(huán)路濾波器時就需要具體分析干擾來源，合理選擇濾波器參數(shù)，以獲得最佳的濾波性能。LMX2320推薦使用二階或高階無源低通濾波器，圖4為三階低通濾波器的電路圖。由于無源環(huán)路濾波器所能提供的調(diào)試電壓動態(tài)范圍不夠大，而在圖3所示的應用實例中的頻率合成器的帶寬要求較高，以及VCO的控制電壓范圍較大，因此在設計中對三階無源濾波器做了一點改動，即增加了一級運算放大器來適應VCO控制電壓的要求。