【導讀】傳統(tǒng)上，一個簡單的PLL將壓控振蕩器(VCO)輸出頻率分頻，將其與一個參考信號進行比較，然后微調(diào)VCO控制電壓以微調(diào)其輸出頻率。很多年來，PLL和VCO是兩種單獨的芯片——這就是分立解決方案。VCO產(chǎn)生實際輸出信號；PLL監(jiān)控輸出信號并調(diào)諧VCO，以將其相對一個已知參考信號鎖定。
幾乎每個RF和微波系統(tǒng)都需要頻率合成器。頻率合成器產(chǎn)生本振信號以驅(qū)動混頻器、調(diào)制器、解調(diào)器及其他許多RF和微波器件。頻率合成器常被視為系統(tǒng)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優(yōu)點：
- 可設(shè)計每個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)長期處于優(yōu)勢地位，但它也有缺點。一個主要問題是：為了容納兩個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主要問題是傳統(tǒng)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。對任何希望實現(xiàn)更寬頻率范圍的人來說，這都是一個重大挑戰(zhàn)。為了創(chuàng)建頻率范圍更寬的合成器，需要多個PLL、VCO、支持元件、濾波、開關(guān)和電源！這會使設(shè)計的板空間和成本呈指數(shù)式增加。分立解決方案不僅會影響板設(shè)計，而且涉及大量額外工作，包括為每種器件進行質(zhì)量評定、開發(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)開始出現(xiàn)在市場上。這一重大發(fā)展意味著電路板可以更小，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VCO架構(gòu)可以改變，利用一個器件便能實現(xiàn)寬帶頻率合成器。我們將探討VCO架構(gòu)，以及向集成VCO的轉(zhuǎn)變?nèi)绾伍_啟高性能頻率合成器的大門。
傳統(tǒng)VCO是很簡單的器件——電壓施加于VCO的調(diào)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(diào)諧電壓與輸出頻率的關(guān)系示例——13 V調(diào)諧范圍需要有源濾波器或帶高壓電荷泵的PLL。
圖1. 傳統(tǒng)VCO——調(diào)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(gòu)雖然是基于傳統(tǒng)架構(gòu)，但有很大的不同。集成PLL/VCO將多個傳統(tǒng)VCO集成在一起，產(chǎn)生一個帶寬非常寬的VCO。各個VCO——通過接入和斷開電容而創(chuàng)建——稱為頻段。PLL和VCO集成在一個芯片上，因而可實現(xiàn)多頻段架構(gòu)。每次用戶希望鎖定一個新頻率時，器件就會啟動VCO校準過程，芯片快速遍歷VCO頻段，選擇一個最適合所需輸出頻率的頻段。一旦選定VCO頻段，PLL就會鎖定環(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頻率范圍是由一個微小芯片實現(xiàn)的，而不是之前需要的多個PLL、VCO、濾波器和開關(guān)。圖2所示為一個多頻段PLL/VCO的調(diào)諧電壓與輸出頻率的關(guān)系。本例中，基頻VCO輸出范圍規(guī)定為2200 MHz至4400 MHz。VCO輸出之后有一組分頻器，不過其仍在芯片內(nèi)部，可將信號分頻至最低35 MHz；超過4 GHz帶寬就是這樣得到的——全部來自單個5 mm × 5 mm封裝。
圖2. 多頻段VCO——調(diào)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，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(guī)格(除了頻率范圍)是相位噪聲。
相位噪聲為何如此重要？想象一個信號通過晴朗空氣傳輸?shù)南到y(tǒng)。假設(shè)在發(fā)射天線處發(fā)射信號的信噪比為50 dB。這意味著，接收機要接收的信號比發(fā)射信號任一側(cè)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)樵肼暎瑐鬏攲G失。現(xiàn)在，假設(shè)頻率合成器的相位噪聲改善了3 dB。這意味著發(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(shù)酶h。更遠的傳輸距離意味著所需的中繼器/發(fā)射器會更少，成本得以降低。
除了這個通信例子以外，還有來自電子測試與測量領(lǐng)域?qū)ο辔辉肼曅阅艿耐苿印o論通信行業(yè)需要什么樣的相位噪聲性能，電子測試與測量儀器需要的相位噪聲性能只會更高，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(zhuǎn)移到集成式——節(jié)省數(shù)以百萬計美元的工藝成本——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?shù)汀?/div>
頻率范圍問題可通過倍頻器和乘法器解決，但這些是高功耗器件，而且會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，業(yè)界便已著手開發(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。
- 在單個小封裝中集成PLL和VCO。
- 成本低于分立解決方案。
2014年晚些時候，第二代集成PLL/VCO正式登場。市場上開始出現(xiàn)超過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，價格低于類似的分立PLL和VCO解決方案(但其頻率范圍要窄得多)。
例如，ADI公司的ADF4355系列實現(xiàn)了第二代的所有要求：
- 輸出頻率從50 MHz到13.6 GHz (一個端口≤6.8 GHz，另一個端口≤6.8 GHz)。
- 相位噪聲：
- 傳統(tǒng)分立VCO在10 GHz時：–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：–106.5 dBc/Hz (100 kHz偏移)和–130 dBc/Hz (1 MHz偏移)。
- 5 mm × 5 mm LFCSP封裝。
- 價格隨器件而異，但成本低于分立解決方案。
現(xiàn)在，用戶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(shù)N分頻器的分辨率在12位左右。這種組合意味著典型通道分辨率在數(shù)十kHz。第二代PLL/VCO的最大PFD頻率大于100 MHz，小數(shù)N分頻器的分辨率為25位，甚至高達49位。這主要有兩個好處——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(頻率分辨率)。
雜散性能
集成PLL/VCO有一個重要方面需要討論。上文指出了分立解決方案的一個優(yōu)點，那就是兩個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，雜散性能不可避免會下降。市場上的某些器件設(shè)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(shù)邊界雜散
一種技術(shù)是利用頻率規(guī)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(zhuǎn)移到不會造成較大影響的區(qū)域，從而在事實上消除雜散。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(shù)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。為解決這一問題，可使用雙芯片解決方案將PLL和VCO電路從物理上隔離開來。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(shù)N分頻PLL產(chǎn)品系列中的HMC704非常適合這一任務。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(shù)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ADF4355 PLL——因此，雜散進一步降低。
- HMC704的歸一化相位噪底低于ADF4355 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，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，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(用于VCO校準)，HMC704可將其參考信號路由到GPO引腳；當沒必要將ADF4355參考輸入引腳接地時，可設(shè)置HMC704通過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(zhuǎn)載自亞德諾半導體。
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