ADF4350低相噪频率合成器在射频无线通信设备中的应用精

1、 2009 年 4 月第 28 卷 第 4 期 应用天地 ADF4350 低相噪频率合成器 在射频无线通信设备中的应用 马国胜 1 杨鹭怡 2 (1.电子工程学院 合肥 230037;2.) 摘 要:,、功耗低的特点。ADF4350 频率合成器具有全集成、低相位噪声的优点,()(),可以工作在极宽的连续频率范围内,广泛用于无线基础设备及测试设备,TV。本文简要介绍了 ADF4350 的主要功能,详细给出了基于 ADF4350,221xx 的接口连接的设计方案。 关键词:;均方根抖动中图分类号:T513 文献标识码:B ApplicationofADF4350frequencysynthesiz

2、erwith lowphasenoiseintheRFwirelesscommunicationdevice MaGuosheng1 YangLuyi2 (1.ElectronicEngineeringInstitute,Hefei230037,China;2.ArtilleryInstitute,Hefei230031,China) Abstract:InmodernRFandmicrowaveelectronicsystems,thefrequencysourcesarerequiredwithsomecharacteristicswhilehavehigh2frequencyandlow

3、phasenoise,andhavegoodreliability,smallsize,lowpowerconsumption.TheADF4350hasadvantagesoffullyintegratedandlowphasenoise,thevoltagecontrolledoscillator(VCO)andphase2lockedloop(PLL)areintegratedinthechip,itcanworkinawidecontinuousfrequencyranging,anditiswidelyusedtowirelessinfrastructureandtestequipm

4、ent,WirelessLANs,CATVequipmentandclockgeneration.ThemainfunctionofADF4350isbrieflyintroducedinthispaper,andsomedesignsaboutdirectconversionmodulatorthatbasedonADF4350anditsinterfacewithADuC812,ADSP221xxaregiven. Keywords:lowphasenoiseVCO;phase2lockedloop;logiccompatibility;rmsjitter 0 引 言 频率源是现代射频和微

5、波电子系统的心脏,其性能直接影响整个电子系统。随着无线电技术的发展,人们提出了各种各样的频率源的设计方案。其中锁相式频率源具 有输出频率高,频率稳定度高、频谱纯、寄生杂波小及相位噪声低等优点。但是在超宽带上实现频率连续可调一般需要使用多达 10 个分立的VCO/PLL,ADI 公司的 ADF4350 频率合成器为设计工程师提供了单芯片低相位噪声的解决方案122。 4400MHz 范围内的连续调谐。片上 VCO 在 2.1GHz 工 1 ADF4350 功能及特点 ADF4350 是一款内置片上低噪声压控振荡器(VCO)的锁相环(PLL)。这款完整的频率合成器支持 137.5 作频率、1MHz

6、偏移处的相位噪声为-137dBc/Hz,在 137.5MHz 工作频率、1MHz 偏移处的相位噪声为-155dBc/Hz,这相当于 2.1GHz 频率下的综合均方根(RMS)相位误差为 0.36,137.5MHz 频率下的综合均方根相位误差为 0.02。ADF4350 内置的压控振荡器(VCO)可以覆盖22004400MHz 的频率范围。另外,ADF4350 提供两个射频输出端口,使用户可对输出功率进行数字编程。 与其他同类产品不同,ADF4350 支持整数 N 分频与小数 N 分频工作模式,允许用户通过软件控制方法确定最佳杂散与相位噪声性能,从而实现最佳的性能。此外,片上 1/2/4/8 或

7、 16 分频电路使用户能够生成低至137.5MHz 的射频输出频率328。 作者简介:马国胜,副教授,主要研究方向是信号处理及其应用技术。 中国科技核心期刊 65 应用天地 1.1 ADF4350 的主要特性 ADF4350 的主要特性如下:输出频率范围为 135MHz 到 4.35GHz;分数N 合成器和整数 N 合成器; 2009 年 4 月 第 28 卷 第 4 期 ADF4350 是集成了电压控制振荡器(VCO)的宽带时 钟合成器,如果和外部环路共同使用来滤除外部参考频率,可以确保分数N 和整数 N 锁相环(PLL)频率合成器的执行,其输出频率在 2.2GHz 到4.4GHz 之间。针

8、对那些需要隔离的应用,RF 输出级可以被屏蔽。屏蔽功能既可以通过引脚控制,ADF4350RF 输出,所有寄存器的3.03.6V,ADF4350 主(WCDMA、TD2SCDMA、WiMax、 、DECT)、测试设备、时钟生成、无线 LANs 及 CATV 设备等。 ADF4350 引脚说明如下: CLK(1):串行时钟输入端。高阻 CMOS 输入,数据在时钟上升沿锁存在32 位移位寄存器中。 DATA(2):串行数据输入端。高阻 CMOS 输入,串行数据首先加载 MSB,第三位 LSB 为控制位。 LE(3):加载使能端。CMOS 输入,当 LE 高电平时数据存入移位寄存器。 CE(4):芯片

9、使能端。该引脚逻辑低电平关闭装置,使电荷泵处于三态模式;引脚逻辑高电平时,由电源关闭位的状态启动装置。 SW(5):快锁开关。从环路滤波器与该引脚相连即可使用快锁模式。 VP(6):电荷泵电源。该引脚相当于 AVDD,去耦电容到地尽可能放置在靠近该引脚的位置。 CPOUT(7):电荷泵输出端。启动时,提供ICP 给外部环路滤波器,连接环路滤波器至 VTUNE 以驱动内部 VCO 。 低相位噪音 VCO;可编程且可被分为 1/2/4/8 路或 16 路的输出;典型的均方根抖动值 0.5ps;3.0 到 3.6V 电源;1.8V 逻辑兼容性;可编程双模 4/5 或 8/9 预先分频;可编程输出功率

10、电平;RF 输出屏蔽功能;3 线串行接口;模拟和数字锁定检测;开关带宽快速锁定模式;减小周期滑移。1.2 ADF4350 的功能框图及引脚说明 ADF4350 外引脚图如图 1 所示, 所示。 图 1 ADF4350 外引脚图 图 2 ADF4350 功能方框图 66 中国科技核心期刊 2009 年 4 月第 28 卷 第 4 期 CPGND(8):电荷泵地。这是 CPOUT 地返回引脚。 AGND(9):模拟地。这是 AVDD 地返回引脚。 AVDD(10):模拟电源。电源范围 3.03.6V。去耦电容到地尽可能放置在靠近该引脚的位置,AVDD 必须和 DVDD 值相同。 AGNDVCO(1

11、1,18,21):VCO 模拟地。RFOUTA+(12)、RFOUTA2(13):VCO 输出和互补输出。输出是可编程的,可得到 VCO 的基本输出或分频输出。 RFOUTB+(14)、RFOUTB2(15):VCO 互补输出。输出是可编程的,可得到 VCO 分频输出。 VVCO(16,17):06V。,VVCO 必须和 AVDDTEMP(19)VTUNE(20):控制 VCO 的输入。该电压是由滤波 CPOUT 输出电压得到,它决定输出频率。 RSET(22):在该端与地之间连接一个电阻设置电荷泵输出电流,在 RSET端标称偏置电压为 0.55V,ICP 和 RSET 的关系式为: ICP=

12、25.5/RSET 应用天地 式中:fREF 是输入参考频率,D 是 RFfREF 倍频因子,T 是参考(除 0 或 1),R 是射频参考分频因子。 例如在 UMTS 系统中,要求 2112.6MHz 的 RF 输出频率(fOUT),在10MHz 的参考频率输入(fREF)的情况下,在 RF 输出端要求 200kHz 分辨率(fOUT)。注意,ADF4350 的工作频率范围在 2.2GHz 到 4.4GHz,输出分频值取 2(VCO 频 fRES=4225.,fOUT=fRES/2= MHz/2)图 3 闭环输出分频器 在 RF 分频器的输出端要求分辨率是 200kHz,因此在 VCO(fRE

13、S)输出端分辨率是 fOUT 的两倍,即 400kHz。 M=fREF/f RES M=10MHz/400kHz=25 由方程 2 得到 fPFD=10MHz(1+0)/1=10MHz 这里:RSET=5.1k,ICP=5mA。 VCOM(23):在一半调谐范围,内部补偿其偏差。VREF(24):参考电压。 LD(25):锁定检测输出端。该端输出一个逻辑高电平表明锁相环锁定,输出低电平即失锁。 PDBRF(26):RF 电源关闭。该端逻辑低电平时屏蔽 RF 输出,这一屏蔽功能可用软件控制。 DGND(27):数字地。 DVDD(28):数字电源。该端应与 AVDD 电压相同。REFIN(29)

14、:参考输入。这是一个以 VDD/2 为标称起点的 CMOS 输入,相当于 100k 输入电阻的 DC。这个输入电压能够驱动一个 TTL 或 CMOS 晶体振荡器,也可以进行交流耦合。 MUXOUT(30):复合输出。它允许锁定检测,配置 RF,或配置参考频率进入外部链接部分。 调节器地。SDGND(31):数字 2 调节器电源。应与 AVDD 值 SDVDD(32):数字 2 相同。 (3)(4) 2112.6MHz=10MHz(N+k/25)/2 式中:N=422,k=13。 模(M)的选择主要取决于参考输入和输出分辨率,例如,在一个 GSM 系统中,参考输入为 13MHz,则模就要取 65

15、,这就意味着 RF 输出分辨率为200kHz(13MHz/65),随着抖动,其分数间隔取决于模的选择(如表 1 所示)。 表 1 有抖动现象的脉冲间隔 条件 如果 M 是除 2,不是 3 如果 M 是除 3,不是 2 如果 M 是除 6 其他 重复长度 2M3M6M M 脉冲间隔波道间隔/2 波道间隔/3 波道间隔/6 波道间隔 3 ADF4350 的典型应用 3.1 在直接变换调制器中的应用 2 ADF4350 频率合成计算举例 下面是一个 ADF4350 频率合成的一个例子: (1)fOUT=N+(k/M)fPFD/2 式中:fOUT 是射频输出频率,N 是整数分频因子,k 是小数分频因子

16、,M 是模。 (2)fPFD=fREF(1+D)/(R(1+T) 直接变换架构越来越多的被用在基站发射机中,图 4 所示即为 ADF4350 在直接变换调制器中的应用电路。图中显示AD9761TxDAC 和 ADL5375 结合使用,使用双集成 DAC,例如像 AD9788具有独特的0.02dB 和0.001dB 的增益和偏移匹配的特点,在整个温度范围确保信号链这部分的最小误差。 本地振荡器(LO)由 ADF4350 实现,低通滤波器使用 ADIsimPLLTM 方案实现 200kHz 波道间隔及 35kHz 闭环带宽。 ADL5375 的 LO 部分可由 ADF4350 的互补 RFOUTA

17、 和 中国科技核心期刊 67 应用天地 RFOUTB 输出的差动来驱动,这使得其性能优于单端的 LO 驱 2009 年 4 月第 28 卷 第 4 期 ADF4350,可通过软件编程以得到最佳的 LO 功率。 RF 输出是为了推动 50 负载,如图 3 所示。如果 I 动器,并在 ADL5375 中省去使用变压器。在这个配置中,LO 的典型均方根相位噪声(100Hz 至 5MHz)为 0.61。 AD8349 的 LO 驱动值为-10dBm 到 0dBm,对于 和 Q 输入是由 2Vp2p 信号正交驱动,那么调制器输出功率大约为 2dBm 。 图 4 ADF4350 直接变换调制器电路图 3.

18、2 ADF4350 在 ADuC812 及 ADSP221xx 接口连接上的 应用 在 ADF4350 中有一个兼容 SPI 串行接口,CLK、DATA 和 LE 控制数据传输。当 LE 高电平时,将已锁入寄存器的 32 位数据在时钟 CLK 的上升沿移到相应的锁存器中,如图 5 为其时间图,表 2 为寄存器地址表。 图 6 显示了 ADF4350 和 ADuC812MicroConverter 接口连接,由于ADuC812 是基于 8051 核,因此这个接口可以用于任何基于 8051 的微控制器中。为实现 SPI 控制模式,以 CPHA=0 设定 MicroConverter。初始工作,驱动

19、 LE 的 I/O 口被置为低电平。ADF4350 的每次锁存都需要一个 32 位字,从 MicroConverter 到设备上是通过写四个 8 位字节来完成的。当第四个字节被写入时,LE 输入应被置为高电平以完成传送。ADuC812 上的 I/O 口线也 被用于控制电源关闭输入(CE)和锁定检测。当在所述方式下工作时,ADuC812 的最大 SCLOCK 是 4MHz,这就意味着其可变输出频率的最大值是 125kHz。 表 2 C3、C2、C1 的真值表控制位 寄存器 C3000011 C2001100 C1010101 寄存器 0(R0)寄存器 1(R1)寄存器 2(R2)寄存器 3(R3

20、)寄存器 4(R4)寄存器 5(R5) 68 中国科技核心期刊 2009 年 4 月第 28 卷 第 4 期 应用天地 电路架构简单,可靠性高。由于 ADF4350 提供两个射频 输出口,用户可对输出功率进行数字编程,而且它支持整数 N 分频与小数N 分频模式,用户可通过软件控制方法确定最佳杂散与相位噪声性能,从而实现最佳的性能。另外由于 ADF4350 兼容了 SPI 串行接口,它与ADuC812 接口适用于任何基于 8051 的微控制器,应用非常方便。在数字信号处理器中,ADF4350 与 ADSP221xx 的连接实现了整块串行数据的传送,应用前景非常广泛。 图 6 ADF4350 和 ADuC812 接口连接 参考文献 1 GILMORER,BESSERL.现代无线系统射频电路实 用设计M.杨芳,翁木云译,北京:电子工业出版社,2006. 2 李智群,王志功.射频集成电路与系统M.北京:科 学出版社,2008. 3 ROHDEUL,NEWKIRKDP.无线应用射频微波电 路设计M.刘光祜,张玉兴,译,北京:电子工业出版社,2