低相位噪声宽频带锁相频率源的设计

引言  

频率源是现代射频和微波电子系统的心脏, 其性能直接影响整个电子系统。随着无线电技术的发展，人们提出了各种各样的频率源的设计方案。大的来分，分两类：自激振荡源和合成频率源。常见的自激振荡源有晶体振荡器、腔体振荡器、介质振荡器、压控振荡器等，虽然这些振荡源在相位噪声，频率范围，频率稳定度等技术指标上，有着这样那样的缺点，但它们是第二类高质量合成频率源的基础和依据。第二类－合成频率源，按合成方案来分主要分为三种：直接模拟式合成、锁相式合成和直接数字式合成。这些方法方案各有优缺点，但是互相结合，基本上满足了现在各种性能要求的频率源。 

设计概述  

锁相式频率源具有输出频率高，频率稳定度高、频谱纯、寄生杂波小及相位噪声低等优点。本方案就是利用小数分频的锁相环，来实现一个宽频带低噪声的频率合成器，实现0～1GHz的低噪声正弦波信号。 

0～1GHz的信号，相对带宽很宽，直接用锁相环是没法实现的，从压控振荡器的原理来讲，就根本找不到这样的一款压控振荡器。但是，结合直接模拟合成器原理，就可以找到这样一个巧妙方案。该方案可以分成四个模块来实现。如下图所示。2～3GHz信号的产生模块，本振信号（2GHz）的产生模块，混频模块和控制模块。 

通过上面的图，可以看出，通过两个锁相环路产生了两个高分辨率，低相位噪声，同相对频率稳定度的频率信号，然后，通过混频滤波来实现0～1GHz的低噪声信号。 

该设计方案种有三个注意事项： 

第一，为什么刚才说"同相对频率稳定度的频率信号"？在刚才的信号框图中，必须注意，两个产生信号的锁相环的输入参考频率必须来自一个晶振，这样把两个信号源和混频器连在一起看，就相当于一个大的锁相环，它的输出信号和输入信号的相对频率稳定度是一样的，这样，只要选择一个温度补偿型高稳定度的参考晶振，那么，最后得到的输出信号的相对频率稳定度这个指标是很不错的。
第二，为什么要选择2～3GHz与2GHz来差频？其实，选择3～4GHz与3GHz来差频，或4～5GHz与4GHz来差频，都可以，但是绝对不能2GHz以下。这个我们要分析一下，混频后输出的信号，而且这些信号是通过滤波来选取0～1GHz这个频段的信号的，其实，2GHz是一个最低的频率，设计滤波器几乎无法实现。设上面的两个PLL的输出信号分别为 f1＝2.1～3.1GHz，f2＝2.1GHz，并且都是正弦波，根据混频器原理，从频域来看，将产生一系列的频率：fout＝mf1±nf2 ，具体输出的频率有：  
f 1-f2=0~1GHz  
f1+f2=4.2~5.2GHz 
2f2-f1＝1.1~2.1GHz 
2f1－f2＝2.1~4.1GHz 
f1＝2.1～3.1GHz 
f2＝2.1GHz 
… 

这样，在频谱上，所需的信号就被分离出来了，采用滤波器就可以选择出有用的信号了0～1GHz的信号了。   
第三，抑制小数分频器相位噪声的∑－△技术 
∑－△调制技术的原理：对信号进行取样后，噪声的功率谱幅度降低，并通过一个对输入呈低通滤波、对量化噪声呈高通滤波的噪声整型器，将量化噪声的绝大部分移到信号的频带之外，而采用取样移出的噪声不会与信号频谱叠加，从而通过简单的滤波有效的抑制。这个技术对于抑制小数分频器产生的噪声效果很好，本设计中选用的芯片CX72300就是采用这项技术的集成锁相环芯片。 

锁相环相位噪声简单分析

锁相环路的噪声来源主要有两类：一类是与信号一起进入环路的，如输入噪声和谐波，另一类是环路的部件产生的。锁相环电路的组成部件都会不同程度的引入相位噪声。具体说来，影响因素有：N分频器引起的噪声，鉴相器的噪声（与鉴相频率有关），锁相环的噪声基低和热噪声，电荷泵的噪声，压控振荡器的噪声，以及环路滤波器中电阻引起的噪声等，其中压控振荡器是内部噪声的主要来源。计算相位噪声的数学模型中考虑的因素越多，该模型越精确，但计算就越复杂。关于这一部分的论述很多，也很详细，我只简单的说一下，以下与设计关系比较大的几个影响，以便指导该设计。 

与信号一起进入环路的输入噪声和谐波，PLL环路对其起到了一个低通滤波的作用，主要参数是等效噪声带宽（B L）。压控振荡器也是噪声的一个主要来源， PLL环路对VCO引入的噪声起到了高通滤波的作用。 

要考虑锁相环芯片的噪声基底，这是选择锁相环芯片的一个参考因素。N分频器也会影响环路内的相位噪声，相位噪声随着N的变化，可以视为20lgN放大作用。电荷泵鉴相器的工作频率也会影响PLL输出相位噪声，可以用10Lg（Fcomp）来描述。 

具体模块的实现 

1.2～3GHz信号的产生模块 

该模块采用加拿大的Skyworks公司生产的单片集成锁相环路芯片CX72300来实现，它的特点是小频率间隔（可小于100Hz，由于它18位的小数分频）、低相位噪声（可达-90dbc/Hz，由于它使用了∑－△技术）和宽频带，外接环路滤波器和VCO可构成高性能宽频带锁相频率合成器。这些主要得益于18位的∑－△技术下的小数数字式低噪声分频器。CX72300合成器有一频率功率控制电路，在频率变化太快或太慢时，能帮助环路滤波器管理压控振荡器，可以加快环路捕获时间。 

此外，压控振荡器选用中国电子集团十三研究所的HE486B,它采用硅超突变结变容管调谐，频带宽，可以达2～3GHz；利用硅双极管振荡，相位噪声低，典型值为－95dBc/Hz。 

设计的参考频率是16MHz，参考分频比从132开始（2112MHz），到195（3120MHz），小数位取最大位（保证频率间隔尽可能小）。通过单片机，输入对应的控制字，那么基于cx72300的PLL就可以输出对应的频率。

2.本振信号的产生模块（2GHz） 

本设计采用了使用Analog器件公司提供的锁相环芯片ADF4113，它的最大输出频率为4GHz，噪声性能很好（PN1Hz为-217）。为了降低相位噪声，淘汰了原来的芯片ADF4360－2，虽然这款芯片内置VCO，可以让整个这一模块的设计简单很多，但是，它内置的VCO噪声性能不好，而且VCO是噪声的一个重要来源。所以，为了整体相位噪声性能，改用ADF4113，VCO从新挑选。 

另外，如上面所说，参考频率共用CX72300的参考频率，以降低相位噪声。 

环路滤波器的仍选择三阶无源低通滤波器，具体各个电容电阻大小使用公司网站上提供的仿真软件ADISimPLL来确定，这样就省了计算滤波器的元件参数，相当方便。具体如下： 

3.混频器使用Linear Technology凌特公司的有源双平衡混频器LT5512，它的RF,IF，LO工作频带宽（0.1～3GHz），相互的隔离度高，含有使能引脚可以开关芯片。输出的信号用合适的低通滤波器，把0～1GHz的信号和其它高频信号分开，就可以得到想要频率。需要注意的是该器件在本例中工作频率很高，所有涉及高频的器件必须使用贴片的，本设计中的涉及高频的电容电阻电感都使用0805封装。其他模块的电路也一样。 

4.控制电路使用了爱特梅尔(Atmel)公司的芯片AT89S51,它是Atmel公司的一款新推出的高性价比的芯片，功能相当完备，内含4K的Flash，不用扩展ROM，可以直接烧写程序使用。通过编写程序，让单片机的I/O口输出两组控制字，分别控制CX72300和ADF4113输出频率各自的频率。而且，AT89S51单片机可以在线修改程序，这样，需要那个频率，可以在现场对计算机修改对应的输入控制字，即可得到想要的频率，当然，这一部分将来也可做成一个键盘，实现人机会话。在试验阶段，我的程序让它自动的输出一系列的频点，而且，在每个频点保持一定的时间，以便观察输出信号。

结束语 

通过对PLL频率合成器的深入研究，结合使用了直接模拟式频率合成方案，本文给出了一种低噪声宽频带的高性能的频率合成器。它的输出频率0～1GHz，包括了绝大多数电子设备的频率，因此，它将作为一款多用表的频率基准。

参考文献

【1】 万心平、张厥盛、郑继禹，锁相技术，西安电子科技大学出版社，1989 
【2】 Dean Banerjee，PLL Performance、Simulation and Design，2006 
【3】 远坂俊昭 著，何希才 译，锁相环电路设计与应用，科学出版社，2006 
【4】  张冠百，锁相与频率合成技术，电子工业出版社，1989 

作者简介： 

温国谊（1981-），男，硕士研究生，主要研究方向为锁相环在频率源上的应用。 
王家礼（1942-），男，教授，博导，主要从事微波电路研究。