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一种微波锁相频率源的设计A Design of Microwave PLL Frequency Source 叶利华（西科微波通讯有限公司） Ye Lihua（Chengdu Seekon Microwave Communication Company）【摘要】 本文主要介绍一种微波频率源的设计，该源采用100MHZ恒温晶振作为参考源，由Q3236、VCO和LF共同构成一个锁相环路，在高至2GHZ的频点，实现优于-90dBc/Hz1KHz的相噪性能，同时具有极高的频率稳定度和良好的温度稳定性，可在广泛范围内用作微波信号源。关键词： 锁相环 频率合成器 相位噪声 频率稳定度Abstract： In this paper, the design of a frequency source was presented, in which a 100MHZ constant-temperature crystal oscillator acting as a reference source. Q3236,VCO and LF all together compose a phase locked loop. At the hign frequency up to 2GHZ,the sources phase noise can be better than -90dBc/HZ1KHZ, in addition to this, it has hign frequency stability and temperature stability at the same time, which is hopeful to be used as microwave signal source in extensive areas.Key words: Phase-Locked Loop Frequency Synthesizer Phase Noise Frequency Stability1.引言微波信号源作为一个微波系统的关键部件之一，它从很大程度上决定和制约着系统的性能。信号源质量的改善，将相应地提高整个系统的噪声性能。锁相环频率源作为微波固态源的一种，它具有频率稳定度高、相位噪声低、无寄生输出、频率建立快及易于集成的特点。因此，它在雷达、通信、遥控遥测、电视广播和电子测量仪器等领域已得到广泛的应用。锁相的意义就是相位同步的自动控制。能够完成两个电信号相位同步的自动控制闭环系统叫做锁相环(Phase-Locked Loop)，简称PLL。锁相环路是一个相位负反馈控制系统,它由鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)和压控振荡器(VCO)三个基本部件组成。如图所示：锁相环的基本功能是跟踪输入信号的相位。这一功能是由鉴相器产生一个与输入信号和vco信号相位差成比例的电压而完成的。这个相位误差电压通过低通滤波器,在那里抑制了噪声和高频信号成份，并帮助决定环路的动态性能。经滤波后的相位误差电压调制vco频率，重新在鉴相器中与输入信号比较。产生的任何误差电压通过环路滤波器，调制vco频率，直到vco以固定的相位关系锁住输入信号。锁相环通过跟踪输入信号的相位，实现了频率同步和频率跟踪。 压控振荡器的输出接至鉴相器的一个输入端，其输出频率的高低由低通滤波器上建立起来的平均电压大小决定。施加于鉴相器另一个输入端的外部输入信号与来自压控振荡器的输出信号相比较，比较结果产生的误差输出电压正比于外部输入和压控振荡器的输出两个信号的相位差，经过低通滤波器滤除高频分量后，得到一个平均值电压。这个平均值电压朝着减小VCO输出信号频率和外部输入信号频率之差的方向变化，直至VCO输出频率和输入信号频率获得一致。这时两个信号的频率相同，两信号相位差保持恒定（即同步）即实现了锁相。当锁相环入锁时，它还具有“捕捉”信号的能力，VCO可在某一范围内自动跟踪输入信号的变化。如果输入信号频率在锁相环的捕捉范围内发生变化，锁相环能捕捉到输人信号频率，并强迫VCO锁定在这个频率上。锁相环应用非常灵活，如果输入信号频率f1不等于VCO输出信号频率f2，而要求两者保持一定的关系，例如比例关系或差值关系，则可以在外部加入一个运算器，以满足不同工作的需要。例如，一个带N分频的锁相环路，它实现了由一个高性能低频率的参考源 N倍频到，由于锁相环路的优势，使得输出信号N，频率可以很高，同时相噪性能很好，频率稳定度和频率准确度高，且不存在寄生输出问题。（但它存在泄漏问题）。另外，通过改变N，可以很方便地改变输出频率。 带N分频的锁相环如下图所示：2.锁相频率源的设计与实现（1）、关于Q3236设计中选用Qualcomm公司的高性能锁相环频率合成器芯片Q3236作为鉴相器和反馈回路上的N分频器，并实现对参考频率的分频。Q3236相噪极低，鉴相频率为1MHZ时，其相位噪声低达-154dBc/Hz100Hz，鉴相输入频率高达2GHz，具有低功耗（小于0.6W）、高鉴相灵敏度（302mv/Rad），内置可编程分频器等特点。通过对其内部分频器的编程，可实现输出频率步进。Q3236带有失锁指示，由单一+5V供电，它有宽的输入信号强度范围：-10dBm至+3.5dBm。它包含了构成锁相环频率源所需的除VCO、LPF以外的其它所有基本单元。应用频段从UHF一直到L波段。如下图所示，为使用Q3236构成锁相环频率源的基本结构框图。大的虚线框内为Q3236的内部功能模块，小的虚线框内为对VCO反馈回来的信号的分频，以使输入到鉴相器的反馈信号Fvco/N与经过R分频的参考输入信号同频。通过环路的捕捉功能，使环路锁定在Fvco (FvcoN*Fpd=N*Fin/R)上。由于可变分频器的输入频率受到限制，一般很难做到太高，所以，为了提高鉴相器的输入频率，Q3236在可变分频器之前有一个高速双模予分频器（即图中的10/11予分频器），这样使得其鉴相输入频率提高到2GHZ以上。在予分频器和可变分频器都有效的情况下，总的VCO分频比为N：N = FVCO/FPD= 10 * (M + 1) + A,（ A M + 1, M 0）通过数字接口对Q3236进行编程，可以改变可变分频器的分频比M，从而改变总得VCO分频比N，进而改变输出信号FVCO的频率（假定参考频率不变）。 （2）、基于相噪性能考虑的鉴相频率的选择 使用Q3236设计锁相频率源时，要注意鉴相频率的选取，因为鉴相频率不同，相应当Q3236贡献的噪声水平也大不一样，Q3236鉴相频率从0.25MHZ升至100MHZ时，其相位噪声基底从-154dBc/HZ逐渐恶化到-122dBc/HZ。因此，为了在输出端得到比较好的相噪性能，鉴相频率不能取得太高。如下页图所示： 但是，鉴相频率也不是越低越好，因为从整体来看，Q3236实现了从FPD到Fvco的N倍频；而伴随着倍频过程的是信号相噪性能的恶化，恶化程度为20log10N（dB）。NFvco/FPD，鉴相频率越低，N越大，恶化程度越大。所以，鉴相频率的选取要综合考虑这两方面的影响。输出频率已知为2000MHZ，通过计算和比较得知，取鉴相频率为20MHZ时，输出信号的理论相噪值为-96dBc/Hz1KHz,-97dBc/Hz10KHz和-89dBc/Hz100Hz，输出信号可能达到的相噪性能达到最佳。实际的设计中应该留有一定的裕量，因为实际是很难达到理论最佳值的。（3）、环路滤波器的选择PLL频率源的设计，其主要工作就是正确选择和设计环路滤波器(LF)，使频率合成器指标在相位噪声、杂散抑制、跳频速度和稳定性等方面合理兼顾，实现综合性能最佳。实际设计中锁相环采用二阶环，环路滤波器采用有源比例积分滤波器，构成二阶二型环，如下图所示：环路滤波器的传递涵数为： 其中，T1=R1*C T2=R2*C整个二阶二型锁相环的相位传递函数为：， 用标准形式可写为：其中， ，。KV为VCO的压控灵敏度，K为鉴相灵敏度，N为环路分频比，n为自然谐振频率，为阻尼系数。n，决定环路噪声性能、稳定性、环路入锁时间，通过合理选择其值，可使环路达到最佳性能。（4）、实际电路Fout=2000MHZ Fref=100MHZ Fpd=20MHZ R= (Fref/ Fpd)-1=4 N= Fout/ Fpd=100由于N10*（M+1）+A （A M + 1, M 0），所以M9，A0故电路原理图为：3.锁相频率源设计的扩展、改善的探讨（1）、功能的扩展通过在反馈回路上加固定分频的外置予分频器，可以将输出频率的最大值从2GHZ提高至15GHZ以上。 （2）、关于电磁兼容性方面的相关考虑良好的电磁兼容EMC设计将有助于提高系统的性能，改善其稳定性、相噪性能、杂散抑制、谐波抑制、频率稳定度、入锁时间等指标。为了达到良好的电磁兼容设计，我们可以在元件的选择和电路设计方面采取以下措施：电子元件有两种：有引脚的元件和无引脚的元件。有引脚的元件有寄生效果，产生寄生电感，大约是1nH/mm，引脚的末端还产生一个电容效应，大约为4pF。而无引脚表面贴装的元件的寄生效果要小的多，典型值为0.5 nH的寄生电感和0.3pF的终端电容。所以，就消除寄生效应来说，高频时应尽量使用表贴元件，其封装越小越好。1、电阻有引脚的电阻，应首选碳膜电阻，其次是金属膜电阻，最后是线绕电阻。线绕电阻有很强的电感特性，因此在对频率敏感的应用中不能用它，它最适合用在大功率处理的电路中在放大器的设计中，电阻的选择很重要。在高频环境下，电阻的阻抗会因为其电感效应而增加。因此，增益控制电阻的位置应尽可能的靠近放大器电路以减少电路板的电感。在上拉下拉电阻的电路中，晶体管或集成电路的快速切换会增加上升时间。为了减小这个影响，所有的偏置电阻应该尽可能靠近有源器件及它的电源和地，从而减少PCB连线的电感。在稳压和参考电路中，直流偏置电阻应尽可能靠近有源器件以改善瞬态响应时间。2、电容电容的种类很多，常见的有铝质电解电容、钽电容、陶质电容和云母电容等。铝质电解电容通常是在绝缘薄层之间以螺旋状缠绕金属箔制成，这样可在单位体积内得到较大的电容值，但其内部电感较大。钽电容由一块带直板和引脚连接点的绝缘体制成。陶质电容是在陶瓷绝缘体中包含多个平行的金属片。其主要寄生为片结构的感抗，这通常在低于MHZ的区域造成阻抗。绝缘材料的不同导致不同的频响特性，从而使得一种类型的电容会比另一种更适合与某种场合。铝电解电容和钽电解电容更适合于低频终端，主要是低频滤波器。陶质电容适合于从KHZ到MHZ的中频范围，常用于去耦电路和高频滤波。特殊的低损耗陶质电容和云母电容则适合于甚高频电路和微波电路。另外，电容具有低的ESR（Equivalent Series Resistance）等效串联电阻是很重要的，因为它会对信号造成大的衰减，尤其是应用频率接近电容谐振频率时。电容的一个重要应用就是用作旁路电容。旁路电容的主要功能是产生一个交流分路，从而消去进入易感区的那些不需要的能量（杂散和干扰信号）。旁路电容一般作为高频旁路器件来减小对电源模块的瞬态电流需求。铝电解电容和钽电解电容比较适合作旁路电容，其值取决与PCB板上的瞬态电流需求，一般在10到470uF范围内。电容的另一个重要作用就是去耦。有源器件在开关是产生的高频开关噪声将沿着电源线传播。去耦电容的主要功能就是提供一个局部的直流电源给有源器件，以减少开关噪声在板上的传播和将噪声引导到地。实际上，旁路电容和去耦电容都应该尽可能放在靠近电源输入处以帮助滤出高频噪声。去耦电容的取值大约是旁路电容的1/1000到1/100，它应尽可能的靠近每个集成块，以免布线阻抗减小去耦电容的效力。陶瓷电容常用于去耦，其值取决于最快信号的上升和下降时间。例如，对于33MHZ的信号，可使用4.7nF到100nF的电容；而对于100MHZ的信号，可使用10nF的电容。去耦电容的ESR值一般应低于1欧姆。电容除电容值以外，还有一个参数：谐振频率。电容在低于谐振频率时呈现容性，在高于谐振频率时呈现感性（因为引线长度或布线自感）。为了达到良好的去耦效果，常将多个去耦电容并联。这样能提供6dB的增益以抑制有源器件开关造成的射频电流。多个去耦电容并联，不仅能提供更宽的频谱范围，而且能提供更宽的布线以减小布线自感，因此也就能更有效的去耦。两个电容的取值应相差两个数量级以提供更有效的去耦（如0.1uF和0.001uF并联）。数字电路的去耦中，低的ESR比谐振频率更重要。它可以提供更低阻抗的到地通路。3、电感电感有开环电感和闭环电感两种，开环电感的磁场通过空气闭合，闭环电感的磁场通过磁芯闭合。电感没有寄生感抗，因此，表贴型和引线型没有什么差别。电感的磁芯材料主要有两种：铁和铁氧体。铁磁芯电感用于低频（几十KHZ）场合，而铁氧体磁芯电感用于高频场合（高至MHZ）。在EMC的特殊应用中，有两类特殊的电感：铁氧体磁珠和铁氧体夹。铁氧体磁珠是单环电感，通常，单股导线穿过铁氧体型材而形成单环。这种器件在高频的衰减为10dB，而直流的衰减量很小。类似与铁氧体磁珠，铁氧体夹在高达MHZ的频率范围内的共模和差模衰减可达到10dB至20dB。在DC-DC变换中，电感必须能够承受高饱和电流，并