集成VCO的低成本PLL支持緊湊型LO解決方案
發(fā)布時(shí)間:2017-06-07 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】新興的PLL + VCO (集成電壓控制振蕩器的鎖相環(huán))技術(shù)能夠針對蜂窩/4G、微波無線電軍事等應(yīng)用快速開發(fā)低相位噪聲頻率合成器,ADI集成頻綜產(chǎn)品的頻率覆蓋為25 MHz到13.6 GHz。
蜂窩/4G、微波無線電、測試設(shè)備和軍事子系統(tǒng)應(yīng)用的無線電設(shè)計(jì)人員依賴高質(zhì)量本振(LO)來實(shí)現(xiàn)低BER(誤碼率)、低雜散輸出和低相位噪聲的系統(tǒng)級目標(biāo)。所有的RF和微波通信和傳感器系統(tǒng),無論是基于模擬還是數(shù)字調(diào)制,都需要干凈的LO信號源;無線電的容量越高,對LO信號的要求就越高。有許多不同架構(gòu)可用,但 產(chǎn)生穩(wěn)定LO源的最常用方法之一是將低相位噪聲電壓控制振蕩器(VCO)和穩(wěn)定基準(zhǔn)電壓及鎖相環(huán)(PLL)組合構(gòu)成頻率合成器。不過,尋求最佳LO性能的設(shè)計(jì)人員必然會面臨PLL/頻率合成器、VCO、電荷泵及環(huán)路濾波器之間交互的諸多相關(guān)挑戰(zhàn),更不用說由于電路板布局和不良電源噪聲所帶來的問題。
ADI的核心專長是在頻率生成元件方面,例如MMIC VCO、鎖相振蕩器(PLO)、低噪聲預(yù)分頻器、鑒頻鑒相器(PFD)和一系列RF輸入頻率達(dá)13.6 GHz的雙模式(小數(shù)/整數(shù))PLL/頻率合成器IC。
表1和2中列出了業(yè)界領(lǐng)先的ADI集成VCO的PLL產(chǎn)品。這些集成VCO的PLL產(chǎn)品涵蓋從25 MHz到13.6 GHz的RF和微波頻率。
表1. ADI公司集成VCO的PLL性能總結(jié)
表2. ADI公司集成VCO的PLL性能總結(jié)
如圖1的功能框圖所示,這些產(chǎn)品采用標(biāo)準(zhǔn)5 mm × 5 mm和6 mm × 6 mm QFN塑料封裝實(shí)現(xiàn)了高級小數(shù)-N頻率合成器和超低噪聲VCO;這種高水平的集成最大程度地減少了外部元件數(shù)。設(shè)計(jì)針對超低相位噪聲商業(yè)和軍事應(yīng)用,包括一個(gè)極低噪聲鑒頻鑒相器(PFD)、一個(gè)精密控制電荷泵和一個(gè)提供超精細(xì)頻率步進(jìn)的高 級調(diào)制器設(shè)計(jì)。
圖1. ADI集成VCO的PLL產(chǎn)品功能框圖和典型應(yīng)用電路
架構(gòu)具有超低近載波相位噪聲和低雜散,可實(shí)現(xiàn)較寬環(huán)路帶寬以及更快的跳頻和低顫噪;雜散輸出足夠低,因此在許多應(yīng)用中不再需要價(jià)格昂貴的直接數(shù)字頻率合成(DDS)基準(zhǔn)參考源。
適合RF市場應(yīng)用的集成VCO的PLL
HMC830LP6GE是面向蜂窩/4G、微波回程IF以及測試和測量應(yīng)用的八個(gè)集成VCO寬帶PLL產(chǎn)品之一。該系列的每一個(gè)產(chǎn)品都組合了高性能小數(shù)-N PLL/頻率合成器和低噪聲VCO。適合RF應(yīng)用的集成VCO的PLL架構(gòu)使得高性能VCO可實(shí)現(xiàn)五伏以下電壓調(diào)諧(參見圖2)。環(huán)路濾波器中不再需要運(yùn)算放大器,節(jié)省了成本和電路板空間,同 時(shí)改善了性能。集成VCO的PLL可以在一個(gè)極限溫度下鎖定,之后無需重新鎖定或重新校準(zhǔn)即可在整個(gè)溫度范圍內(nèi)工作;該功能是高可靠性應(yīng)用中所需要的,但是在有些其他競爭對手中并未提供該功能。
圖2. 集成VCO的PLL HMC830LP6GE的調(diào)諧電壓與頻率的關(guān)系
如圖3所示,這些器件具有出色的相位噪聲性能,無論就帶內(nèi)還是遠(yuǎn)端噪底通常都優(yōu)于競爭對手10 dB,而且全部無需在低雜散或低噪聲模式間進(jìn)行選擇。100 Hz至1 MHz范圍內(nèi)的集成噪聲通常為–55 dBc,等效于0.1°的rms抖動(dòng),或者FOUT = 1 GHz時(shí)278 fs rms。
圖3. 集成VCO的PLL HMC830LP6GE的SSB相位噪聲與偏移頻率的關(guān)系
如圖4所示,HMC830LP6GE與替代集成解決方案相比有明顯改善。
圖4. 最差雜散,固定50 Mhz基準(zhǔn),輸出頻率= 2 GHz
HMC830LP6GE頻帶邊沿處的溫度范圍性能穩(wěn)定,確保不會出現(xiàn)“壓差”。
例如,HMC830LP6GE在大于20 MHz的偏移頻率下產(chǎn)生大約5 dB近載波相位噪聲和7 dB相位噪底,與TI LMX2581相比,這兩個(gè)值都比較低。此外,HMC830LP6GE還提供優(yōu)越的雜散性能,在整個(gè)頻段的小數(shù)雜散低很多,整個(gè)頻譜輸出更干凈。
ADF5355集成VCO的PLL涵蓋同類最寬的頻譜55 MHz至13.6 GHz,而ADF4355-2的頻率范圍是55 MHz至4.4 GHz。兩款器件都集成了超低相位噪聲VCO,對于ADF4355-2而言在3.4 GHz下產(chǎn)生–138 dBc/Hz(1 MHz失調(diào))相位噪聲,而ADF5355在6.8 GHz下產(chǎn)生–132 dBc/Hz(1 MHz失調(diào))相位噪聲。
ADF5355和ADF4355-2采用新型VCO拓?fù)浜图軜?gòu),并在開發(fā)過程中利用ADI新近獲得專利的先進(jìn)SiGe-BiCMOS工藝,因而具有出色的VCO相位噪聲性能。在超寬帶寬RF和微波通信應(yīng)用中,該超低相位噪聲具有改善整體系統(tǒng)誤碼率并提升數(shù)據(jù)吞吐速率的優(yōu)勢,可提供更佳的抗噪能力和更寬的動(dòng)態(tài)范圍。
ADI最新的高性價(jià)比、超寬帶寬PLL頻率合成器IC還具有高達(dá)125 MHz相位比較器頻率和38位分辨率,可降低抖動(dòng)并允許極為精細(xì)的步進(jìn)大小,而相比分立式GaAs部署方案,采用高級BiCMOS工藝的集成式PLL和VCO可大幅降低封裝尺寸和功耗。另外,由于單個(gè)PLL頻率合成器的工作頻率可在55 MHz至13.6 GHz范圍內(nèi)配 置,因此設(shè)計(jì)人員可更為快速地對他們的系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行重新配置,并減少器件庫存,同時(shí)依然支持多頻段。
適合微波市場應(yīng)用的集成VCO的PLL
集成VCO的PLL HMC764LP6CE已針對窄帶、高性能的微波通信應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。ADI公司在業(yè)界率先推出頻率高于6 GHz的集成PLL和VCO。這些產(chǎn)品除了提供ADI出色的微波VCO性能之外,還增加了集成式高級小數(shù)頻率合成器的功能。典型應(yīng)用包括微波和毫米波無線電、工業(yè)/醫(yī)療測試設(shè)備、軍事通信、電子戰(zhàn)(EW)和電子對抗 (ECM)子系統(tǒng)。
如圖5所示,HMC764LP6CE在其帶寬內(nèi)具有穩(wěn)定的調(diào)諧敏感度和高達(dá)16 dBm的輸出功率,因而非常適合直接驅(qū)動(dòng)許多ADI高線性度、雙平衡和I/Q混頻器以及上變頻和下變頻產(chǎn)品的LO部分。
圖5. 集成VCO的PLL HMC764LP6CE的調(diào)諧靈敏度和RF輸出功率與輸出頻率的關(guān)系
圖6顯示,對于低、中和高頻范圍,HMC764LP6CE卓越的單邊帶(SSB)相位噪聲性能與偏移頻率的關(guān)系。測量該數(shù)據(jù)時(shí)參考頻率為50 MHz,環(huán)路帶寬為100 kHz,而且PFD的比較頻率為50 MHz。由于采用單芯片結(jié)構(gòu),在溫度范圍內(nèi)及機(jī)械沖擊條件下,相位噪聲性能也很穩(wěn)定。此外,內(nèi)置FSK模式使得器件可用作簡單的低成本直接FM發(fā)射源。
圖6. 集成VCO的PLL HMC764LP6CE的SSB相位噪聲與偏移頻率的關(guān)系
即使具有這樣的高級功能和高集成度,開發(fā)高性能可編程本振仍需要大量設(shè)計(jì)時(shí)間。因此,ADI開發(fā)出集成VCO的PLL參考設(shè)計(jì)人員套件,從而可以立即測量手頭設(shè)計(jì)。
圖7所示典型評估PCB是簡單易用的通用評估套件的一部分,它可以最大程度縮短設(shè)計(jì)時(shí)間,便于快速進(jìn)行原型開發(fā)。參考設(shè)計(jì)人員套件包括一個(gè)板載參考振蕩器和若干穩(wěn)壓器,且支持通用環(huán)路濾波器配置。利用附帶的軟件,用戶可以進(jìn)行PLL編程以及訪問其高級功能。完整操作指南提供逐步說明,方便用戶完成快速上 電并初始化評估板。本指南全面論述了評估板內(nèi)使用的元件,涵蓋針對外部基準(zhǔn)電壓重新配置評估板,以及實(shí)施板載可選擇順序無源或有源環(huán)路濾波器等主題。
圖7. 集成VCO的PLL評估PCB,包含在各設(shè)計(jì)人員套件中
各個(gè)參考設(shè)計(jì)人員套件均包含ADI專有的ADIsimPLL設(shè)計(jì)工具,用戶可以根據(jù)自己的特定應(yīng)用定制標(biāo)準(zhǔn)評估PCB環(huán)路濾波器。提供全面的基于PC的PLL控制軟件,可以經(jīng)由USB接口用PC兼容寄存器文件對PLL進(jìn)行編程。用戶僅用一臺PC、一臺信號分析儀及若干直流電源,即可在非常短的時(shí)間內(nèi)對完全鎖定的本振進(jìn)行評估。ADI 公司技術(shù)熟練的應(yīng)用工程師團(tuán)隊(duì)也可幫助客戶快速熟悉這款獨(dú)特的產(chǎn)品。
ADI集成VCO的PLL產(chǎn)品將低相位噪聲、高級功能及超小尺寸組合在一起,是微波/毫米波無線電、測試設(shè)備、微波傳感器、光纖通信以及軍事通信和傳感器等許多小尺寸應(yīng)用的理想之選。
混合型頻率合成器通常采用玻璃纖維基板材料,具有一個(gè)分立式VCO、一個(gè)大型諧振器和一個(gè)金屬沖壓蓋。該裝配技術(shù)會在用戶系統(tǒng)中造成和RF接地有關(guān)的問題,還會產(chǎn)生令人討厭的電氣和顫噪耦合效應(yīng)。與分立式混合型頻率合成器/VCO配置相比,ADI集成式頻率 生成解決方案有助于設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性能、高可靠性及小尺寸的目標(biāo)。與大型混合設(shè)計(jì)相比,ADI集成VCO的PLL的諧振器也小很多,因而具有出色的顫噪性能。這些集成VCO的PLL產(chǎn)品采用符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)的QFN無引腳封裝,非常適合高速大批量SMT裝配線。
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