【導讀】傳統上，一個(gè)簡(jiǎn)單的PLL將壓控振蕩器(VCO)輸出頻率分頻，將其與一個(gè)參考信號進(jìn)行比較，然后微調VCO控制電壓以微調其輸出頻率。很多年來(lái)，PLL和VCO是兩種單獨的芯片——這就是分立解決方案。VCO產(chǎn)生實(shí)際輸出信號；PLL監控輸出信號并調諧VCO，以將其相對一個(gè)已知參考信號鎖定。
幾乎每個(gè)RF和微波系統都需要頻率合成器。頻率合成器產(chǎn)生本振信號以驅動(dòng)混頻器、調制器、解調器及其他許多RF和微波器件。頻率合成器常被視為系統的心跳，創(chuàng )建方法之一是使用鎖相環(huán)(PLL)頻率合成器。
分立解決方案有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
- 可設計每個(gè)分立芯片以提供盡可能好的性能。
- PLL和VCO之間的物理距離降低了交叉耦合效應，使輸出端的干擾雜散信號最小化。
- 如果環(huán)路中的一個(gè)芯片損壞，只需更換較少的元件。
分立解決方案在頻率合成器行業(yè)長(cháng)期處于優(yōu)勢地位，但它也有缺點(diǎn)。一個(gè)主要問(wèn)題是：為了容納兩個(gè)芯片及其所有支持元件，分立解決方案需要大量板空間。這導致終端產(chǎn)品尺寸較大且成本較高。
分立解決方案的另一個(gè)主要問(wèn)題是傳統VCO的輸出頻率范圍較窄。典型VCO帶寬為50 MHz至500 MHz；雖然可以達到2 GHz左右，但這需要基于運算放大器的有源濾波器。對任何希望實(shí)現更寬頻率范圍的人來(lái)說(shuō)，這都是一個(gè)重大挑戰。為了創(chuàng )建頻率范圍更寬的合成器，需要多個(gè)PLL、VCO、支持元件、濾波、開(kāi)關(guān)和電源！這會(huì )使設計的板空間和成本呈指數式增加。分立解決方案不僅會(huì )影響板設計，而且涉及大量額外工作，包括為每種器件進(jìn)行質(zhì)量評定、開(kāi)發(fā)軟件及庫存管理。
大約10年前，基于PLL的頻率合成器行業(yè)有了一次突破。第一代集成式PLL和VCO(PLL/VCO)開(kāi)始出現在市場(chǎng)上。這一重大發(fā)展意味著(zhù)電路板可以更小，成本可以更低，額外工作可以大幅減少。集成解決方案還意味著(zhù)VCO架構可以改變，利用一個(gè)器件便能實(shí)現寬帶頻率合成器。我們將探討VCO架構，以及向集成VCO的轉變如何開(kāi)啟高性能頻率合成器的大門(mén)。
傳統VCO是很簡(jiǎn)單的器件——電壓施加于VCO的調諧引腳，隨即輸出某一頻率；電壓提高，輸出頻率也提高；電壓降低，輸出頻率也降低。圖1所示為GaAs MMIC VCO的調諧電壓與輸出頻率的關(guān)系示例——13 V調諧范圍需要有源濾波器或帶高壓電荷泵的PLL。
圖1. 傳統VCO——調諧電壓與輸出頻率的關(guān)系
集成PLL/VCO解決方案采用的VCO架構雖然是基于傳統架構，但有很大的不同。集成PLL/VCO將多個(gè)傳統VCO集成在一起，產(chǎn)生一個(gè)帶寬非常寬的VCO。各個(gè)VCO——通過(guò)接入和斷開(kāi)電容而創(chuàng )建——稱(chēng)為頻段。PLL和VCO集成在一個(gè)芯片上，因而可實(shí)現多頻段架構。每次用戶(hù)希望鎖定一個(gè)新頻率時(shí)，器件就會(huì )啟動(dòng)VCO校準過(guò)程，芯片快速遍歷VCO頻段，選擇一個(gè)最適合所需輸出頻率的頻段。一旦選定VCO頻段，PLL就會(huì )鎖定環(huán)路，使輸出保持在所需頻率。
第一代PLL/VCO芯片就有超過(guò)4 GHz的帶寬！相比之下，分立解決方案只有100 MHz到300 MHz帶寬——而且4 GHz頻率范圍是由一個(gè)微小芯片實(shí)現的，而不是之前需要的多個(gè)PLL、VCO、濾波器和開(kāi)關(guān)。圖2所示為一個(gè)多頻段PLL/VCO的調諧電壓與輸出頻率的關(guān)系。本例中，基頻VCO輸出范圍規定為2200 MHz至4400 MHz。VCO輸出之后有一組分頻器，不過(guò)其仍在芯片內部，可將信號分頻至最低35 MHz；超過(guò)4 GHz帶寬就是這樣得到的——全部來(lái)自單個(gè)5 mm × 5 mm封裝。
圖2. 多頻段VCO——調諧電壓與輸出頻率的關(guān)系
雖然這一突破性技術(shù)大大提高了頻率范圍，減少了板空間、成本和額外工作，但它仍有缺點(diǎn)，使得集成解決方案不能完全取代分立解決方案。許多應用的最重要性能規格(除了頻率范圍)是相位噪聲。
相位噪聲為何如此重要？想象一個(gè)信號通過(guò)晴朗空氣傳輸的系統。假設在發(fā)射天線(xiàn)處發(fā)射信號的信噪比為50 dB。這意味著(zhù)，接收機要接收的信號比發(fā)射信號任一側的噪聲(即鄰近的更高和更低頻率)要強50 dB。假定此信號可以傳輸10英里，這之后的信號功率將衰變?yōu)樵肼?，傳輸將丟失?，F在，假設頻率合成器的相位噪聲改善了3 dB。這意味著(zhù)發(fā)射信號的信噪比為53 dB。因此，發(fā)射信號功率是先前10英里距離信號的兩倍，它在衰變?yōu)樵肼曋澳軌騻鬏數酶h。更遠的傳輸距離意味著(zhù)所需的中繼器/發(fā)射器會(huì )更少，成本得以降低。
除了這個(gè)通信例子以外，還有來(lái)自電子測試與測量領(lǐng)域對相位噪聲性能的推動(dòng)。無(wú)論通信行業(yè)需要什么樣的相位噪聲性能，電子測試與測量?jì)x器需要的相位噪聲性能只會(huì )更高，只有這樣才能測量通信協(xié)議。
雖然許多解決方案能從分立式轉移到集成式——節省數以百萬(wàn)計美元的工藝成本——但第一代PLL/VCO的相位噪聲性能還不夠好，不適合許多要求低相位噪聲的應用。除相位噪聲性能外，與很多需要分立PLL和VCO的應用相比，頻率范圍也相當低。
頻率范圍問(wèn)題可通過(guò)倍頻器和乘法器解決，但這些是高功耗器件，而且會(huì )增加解決方案的成本和板空間。
幸運的是，在推出這些集成解決方案的同時(shí)，業(yè)界便已著(zhù)手開(kāi)發(fā)新的IC工藝以獲得人們強烈期盼的相位噪聲和頻率范圍改善。
此時(shí)的舞臺已為第二代集成PLL/VCO的亮相做好準備。第二代產(chǎn)品的要求如下：
- 輸出頻率大于4.4 GHz。
- 相位噪聲性能可與分立解決方案相比擬。
- 在單個(gè)小封裝中集成PLL和VCO。
- 成本低于分立解決方案。
2014年晚些時(shí)候，第二代集成PLL/VCO正式登場(chǎng)。市場(chǎng)上開(kāi)始出現超過(guò)10 GHz輸出頻率范圍的產(chǎn)品，其相位噪聲堪比分立VCO，采用5 mm × 5 mm封裝，價(jià)格低于類(lèi)似的分立PLL和VCO解決方案(但其頻率范圍要窄得多)。
例如，ADI公司的ADF4355系列實(shí)現了第二代的所有要求：
- 輸出頻率從50 MHz到13.6 GHz (一個(gè)端口≤6.8 GHz，另一個(gè)端口≤6.8 GHz)。
- 相位噪聲：
- 傳統分立VCO在10 GHz時(shí)：–110 dBc/Hz (100 kHz偏移)和–135 dBc/Hz (1 MHz偏移)。分立VCO用頻率范圍換取相位噪聲性能。
- ADF4355系列在10 GHz時(shí)：–106.5 dBc/Hz (100 kHz偏移)和–130 dBc/Hz (1 MHz偏移)。
- 5 mm × 5 mm LFCSP封裝。
- 價(jià)格隨器件而異，但成本低于分立解決方案。
現在，用戶(hù)不僅可享有分立解決方案的相位噪聲性能好處，還能獲得集成解決方案的所有其他好處。更有利的是，PLL技術(shù)在這些年中也得到了發(fā)展，因此，第二代PLL/VCO器件的PLL性能也有很多改善。
對于第一代PLL/VCO，PLL模塊的最大鑒頻鑒相器(PFD)頻率在32 MHz左右，小數N分頻器的分辨率在12位左右。這種組合意味著(zhù)典型通道分辨率在數十kHz。第二代PLL/VCO的最大PFD頻率大于100 MHz，小數N分頻器的分辨率為25位，甚至高達49位。這主要有兩個(gè)好處——PFD頻率越高，PLL相位噪聲就越低(PFD頻率每提高一倍，N分頻器便可減半，N分頻器噪聲分布相應地降低3 dB)；25位甚至更高的分辨率支持精密頻率生成和亞Hz頻率步進(jìn)(頻率分辨率)。
雜散性能
集成PLL/VCO有一個(gè)重要方面需要討論。上文指出了分立解決方案的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，那就是兩個(gè)芯片之間的物理隔離降低了PLL與VCO之間的交叉耦合，從而降低了干擾雜散信號的功率。當集成PLL和VCO時(shí)，雜散性能不可避免會(huì )下降。市場(chǎng)上的某些器件設法將此性能下降保持在非常低的水平，使PLL/VCO具有令人吃驚的良好雜散性能—— HMC830就是一例。其他PLL/VCO器件需要采取一些額外措施來(lái)改善雜散水平，以便支持某些高性能產(chǎn)品。
改變PFD頻率以消除整數邊界雜散
一種技術(shù)是利用頻率規劃算法改變PLL的PFD頻率。這樣可以將PFD模塊引起的雜散信號轉移到不會(huì )造成較大影響的區域，從而在事實(shí)上消除雜散。相關(guān)詳細信息請參閱“分析、優(yōu)化和消除集成VCO的鎖相環(huán)在高達13.6 GHz處的整數邊界雜散”一文。
隔離PLL和VCO
如上所述，PLL和VCO電路緊密靠近可能引起不需要的耦合。為解決這一問(wèn)題，可使用雙芯片解決方案將PLL和VCO電路從物理上隔離開(kāi)來(lái)。這樣既能獲得分立解決方案的低雜散信號優(yōu)勢，又能享有集成解決方案的寬輸出頻率優(yōu)勢。
ADI公司分立小數N分頻PLL產(chǎn)品系列中的HMC704非常適合這一任務(wù)。在這種解決方案中，VCO輸出信號之一(ADF4355系列全部都有兩路輸出)饋送到HMC704(對此信號使用可選的10 dB衰減器可進(jìn)一步降低雜散水平)。ADF4355 PLL最初用于完成VCO校準并鎖定所需頻率。然后可關(guān)閉ADF4355 PLL部分，即讓電荷泵處于三態(tài)并使計數器保持復位狀態(tài)，從而消除PLL中的所有雜散，而HMC704將使環(huán)路保持鎖定。這樣做有多方面好處：
- 使用非VCO所在芯片中的PLL可降低雜散功率。
- HMC704的固有雜散性能優(yōu)于A(yíng)DF4355 PLL——因此，雜散進(jìn)一步降低。
- HMC704的歸一化相位噪底低于A(yíng)DF4355 PLL——因此，頻率合成器輸出端的噪聲更低。
為使環(huán)路閉合，HMC704電荷泵輸出連接到一個(gè)環(huán)路濾波器。環(huán)路濾波器輸出必須連接到ADF4355 VTUNE引腳。當環(huán)路鎖定時(shí)，HMC704僅用作PLL，ADF5355僅用作VCO。要完全消除ADF4355 PLL中的雜散，當ADF4355 PLL不使用時(shí)，必須將ADF4355參考輸入引腳接地。幸運的是，這在HMC704中很容易做到。HMC704有一個(gè)通用輸出(GPO)引腳——此引腳可直接連到ADF4355參考輸入引腳。當ADF4355需要參考信號時(shí)(用于VCO校準)，HMC704可將其參考信號路由到GPO引腳；當沒(méi)必要將ADF4355參考輸入引腳接地時(shí)，可設置HMC704通過(guò)GPO引腳輸出GND。圖3顯示的便是這種電路。
圖3.利用外部HMC704 PLL鎖定ADF4355以改善雜散性能
ADI公司推出了四款具有第二代PLL/VCO性能的重要器件——ADF4355系列。該系列有四款器件：其中三款非常相似，僅頻率范圍不同；第四款是低功耗版本。
- ADF4355-2：集成式PLL/VCO，輸出53 MHz至4400 MHz。
- ADF4355：集成式PLL/VCO，輸出53 MHz至6800 MHz。
- ADF5355：集成式PLL/VCO，輸出53 MHz至13,600 MHz。
- ADF4355-3：低功耗集成式PLL/VCO，輸出51 MHz至6600 MHz。
本文轉載自亞德諾半導體。
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