鎖相環(huán)(PLL)電路是由壓控振蕩器(VCO)和鑒相器組成的反饋系統(tǒng),振蕩器信號(hào)跟蹤施加的頻率或相位調(diào)制信號(hào)是否具有正確的頻率和相位。需要從固定低頻率信號(hào)生成穩(wěn)定的高輸出頻率時(shí),或者需要頻率快速變化時(shí),都可以使用PLL。典型應(yīng)用包括采用高頻率、電信和測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)濾波、調(diào)制和解調(diào),以及實(shí)現(xiàn)頻率合成。

圖1．鎖相環(huán)框圖

圖1所示為基于PLL的頻率合成器框圖。VCO生成輸出信號(hào)。通過PLL將其保持在設(shè)定頻率,并鎖定到基準(zhǔn)頻率。基準(zhǔn)頻率通常由非常精準(zhǔn)的石英振蕩器提供。在鎖相環(huán)電路的反饋路徑部分,在鑒相器前通過分頻器提供可調(diào)的VCO分頻比。

VCO包含可調(diào)的調(diào)諧元件,例如電容隨輸入電壓改變的變?nèi)?a target="_blank">二極管。因此,PLL電路可以算一種VCO反饋控制系統(tǒng)。VCO所需的輸入或控制電壓通常高于提供給PLL電路的電源電壓。電源電壓一般為3．3 V或5 V,而VCO根據(jù)頻率需求可能需要高于20 V的電壓。要生成范圍更廣泛的頻率,可以使用具備更廣泛調(diào)諧范圍的VCO。圖2顯示了支持千兆赫范圍VCO的簡(jiǎn)單電路示例。

VCO可以使用Synergy Microwave Corporation的DCYS100200-12。該產(chǎn)品在28 V (VTUNE)時(shí)產(chǎn)生2 GHz頻率,如圖3所示。

生成高控制電壓,有幾種可行方案。其一是使用有源環(huán)路濾波器,該濾波器基本是由高速放大器和低通濾波器構(gòu)成,可以將來(lái)自鑒相器(CPOUT)的輸出脈沖轉(zhuǎn)化為干凈的直流電壓。或者,可以使用帶集成電荷泵的PLL頻率合成器,例如ADI的ADF4150HV,該器件不需要額外的有源環(huán)路濾波器。雖然這兩種解決方案都需要高壓電源,但是使用ADF4150HV可以減少所需的組件數(shù)量。也可以避免有源濾波放大器導(dǎo)致的失真和相位噪聲。此外,ADF4150HV允許實(shí)現(xiàn)小數(shù)N或整數(shù)N鎖相環(huán)頻率合成器。最終VCO的頻率可以進(jìn)行1、2、4、8或16分頻,使得輸出頻率最低可達(dá)到31．25 MHz。

圖2．用于ADF4150HV的高壓電荷泵電源簡(jiǎn)化電路

圖3．DCYS100200-12的控制電壓與頻率關(guān)系曲線1

ADF4150HV的集成電荷泵所需的高電壓可以使用直流-直流升壓轉(zhuǎn)換器ADP1613 生成,且不降低PLL性能。 ADP1613是一款集成功率晶體管的高效開關(guān)穩(wěn)壓器,可以輕松實(shí)現(xiàn)最高20 V的輸出電壓。也可以使用額外的外部組件實(shí)現(xiàn)更高的輸出電壓,尤其是通過外部功率晶體管實(shí)現(xiàn)。ADP1613的開關(guān)頻率可在650 kHz至1．3 MHz范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。這樣可以實(shí)現(xiàn)更出色的瞬態(tài)響應(yīng)和簡(jiǎn)單的噪聲過濾。一般而言,推薦選擇高于1 MHz的開關(guān)頻率,以便通過PLL環(huán)路濾波器降低開關(guān)噪聲。

采用ADF4150HV的鎖相環(huán)頻率合成器電路通過使用集成的RF分頻器,提供超寬帶PLL功能。工作頻率范圍為62．5 MHz至2 Ghz。通過采用相同的PLL硬件設(shè)計(jì),可以為系統(tǒng)中的多個(gè)不同的硬件平臺(tái)生成不同的頻率。但是,如果要求一項(xiàng)設(shè)計(jì)適用于不同的VCO類型,則需要在設(shè)計(jì)中集成相應(yīng)的環(huán)路濾波器。這樣才能確保鎖相環(huán)可靠運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)相對(duì)較寬的輸出頻率調(diào)節(jié)范圍,以及相關(guān)的更高輸出功率,ADF4150HV的每個(gè)RF輸出也需要采用小型濾波器。將27 nH電感和50 Ω電阻并聯(lián),可以有效調(diào)節(jié)高達(dá)3 GHz的頻率。該電阻提供定義上的輸出阻抗。較低的電感將導(dǎo)致頻段擴(kuò)展到較低的范圍。

如今,也可提供適用于更大頻率范圍(即適用于PLL、濾波器和VCO)的一體化集成解決方案,但是,由于不同組件之間的距離過近,可能導(dǎo)致無(wú)用耦合。分立式設(shè)計(jì)和由此實(shí)現(xiàn)的物理分隔可以充分降低這種風(fēng)險(xiǎn)。

PLL頻率合成器模擬工具ADIsimPLL?也可以為HF功能模塊開發(fā)和HF信號(hào)鏈器件建模提供有效幫助。通過使用該工具,設(shè)計(jì)人員更容易模擬所有會(huì)影響PLL性能的重要非線性效應(yīng);例如,頻率合成過程中出現(xiàn)的無(wú)用雜散(雜散頻率)。

參考文獻(xiàn)

1 “壓控振蕩器表面貼裝型號(hào):DCYS100200-12”。Synergy Microwave Corporation,2014年10月。

2 “電路筆記CN-0228:單電源為28 V、高壓鎖相環(huán)(PLL)頻率合成器供電。”ADI公司,2014年6月。