如何實現(xiàn)低BER(誤碼率)、低雜散輸出和低相位噪聲的系統(tǒng)級目標(biāo)

新興的PLL + VCO （集成電壓控制振蕩器的鎖相環(huán)）技術(shù)能夠針對蜂窩/4G、微波無線電防務(wù)等應(yīng)用快速開發(fā)低相位噪聲頻率合成器，ADI集成頻綜產(chǎn)品的頻率覆蓋為25 MHz到13.6 GHz。

蜂窩/4G、微波無線電、測試設(shè)備和防務(wù)子系統(tǒng)應(yīng)用的無線電設(shè)計人員依賴高質(zhì)量本振(LO)來實現(xiàn)低BER(誤碼率)、低雜散輸出和低相位噪聲的系統(tǒng)級目標(biāo)。所有的RF和微波通信和傳感器系統(tǒng)，無論是基于模擬還是數(shù)字調(diào)制，都需要干凈的LO信號源；無線電的容量越高，對LO信號的要求就越高。

有許多不同架構(gòu)可用，但產(chǎn)生穩(wěn)定LO源的最常用方法之一是將低相位噪聲電壓控制振蕩器(VCO)和穩(wěn)定基準(zhǔn)電壓及鎖相環(huán)(PLL)組合構(gòu)成頻率合成器。不過，尋求最佳LO性能的設(shè)計人員必然會面臨PLL/頻率合成器、VCO、電荷泵及環(huán)路濾波器之間交互的諸多相關(guān)挑戰(zhàn)，更不用說由于電路板布局和不良電源噪聲所帶來的問題。

ADI的核心專長是在頻率生成元件方面，例如MMIC VCO、鎖相振蕩器(PLO)、低噪聲預(yù)分頻器、鑒頻鑒相器(PFD)和一系列RF輸入頻率達(dá)13.6 GHz的雙模式(小數(shù)/整數(shù))PLL/頻率合成器IC。

如圖1的功能框圖所示，這些產(chǎn)品采用標(biāo)準(zhǔn)5 mm × 5 mm和6 mm × 6 mm QFN塑料封裝實現(xiàn)了高級小數(shù)-N頻率合成器和超低噪聲VCO；這種高水平的集成最大程度地減少了外部元件數(shù)。設(shè)計針對超低相位噪聲商業(yè)和防務(wù)應(yīng)用，包括一個極低噪聲鑒頻鑒相器(PFD)、一個精密控制電荷泵和一個提供超精細(xì)頻率步進(jìn)的高 級調(diào)制器設(shè)計。

圖1. ADI集成VCO的PLL產(chǎn)品功能框圖和典型應(yīng)用電路

架構(gòu)具有超低近載波相位噪聲和低雜散，可實現(xiàn)較寬環(huán)路帶寬以及更快的跳頻和低顫噪；雜散輸出足夠低，因此在許多應(yīng)用中不再需要價格昂貴的直接數(shù)字頻率合成(DDS)基準(zhǔn)參考源。

適合RF市場應(yīng)用的集成VCO的PLL

HMC830LP6GE是面向蜂窩/4G、微波回程IF以及測試和測量應(yīng)用的八個集成VCO寬帶PLL產(chǎn)品之一。該系列的每一個產(chǎn)品都組合了高性能小數(shù)-N PLL/頻率合成器和低噪聲VCO。適合RF應(yīng)用的集成VCO的PLL架構(gòu)使得高性能VCO可實現(xiàn)五伏以下電壓調(diào)諧(參見圖2)。

圖2. 集成VCO的PLL HMC830LP6GE的調(diào)諧電壓與頻率的關(guān)系

環(huán)路濾波器中不再需要運(yùn)算放大器，節(jié)省了成本和電路板空間，同 時改善了性能。集成VCO的PLL可以在一個極限溫度下鎖定，之后無需重新鎖定或重新校準(zhǔn)即可在整個溫度范圍內(nèi)工作；該功能是高可靠性應(yīng)用中所需要的，但是在有些其他競爭對手中并未提供該功能。

如圖3所示，這些器件具有出色的相位噪聲性能，無論就帶內(nèi)還是遠(yuǎn)端噪底通常都優(yōu)于競爭對手10 dB，而且全部無需在低雜散或低噪聲模式間進(jìn)行選擇。100 Hz至1 MHz范圍內(nèi)的集成噪聲通常為–55 dBc，等效于0.1°的rms抖動，或者FOUT = 1 GHz時278 fs rms。

圖3. 集成VCO的PLL HMC830LP6GE的SSB相位噪聲與偏移頻率的關(guān)系

如圖4所示，HMC830LP6GE與替代集成解決方案相比有明顯改善。

圖4. 最差雜散，固定50 Mhz基準(zhǔn)，輸出頻率= 2 GHz

HMC830LP6GE頻帶邊沿處的溫度范圍性能穩(wěn)定，確保不會出現(xiàn)“壓差”。

例如，HMC830LP6GE在大于20 MHz的偏移頻率下產(chǎn)生大約5 dB近載波相位噪聲和7 dB相位噪底，與TI LMX2581相比，這兩個值都比較低。此外，HMC830LP6GE還提供優(yōu)越的雜散性能，在整個頻段的小數(shù)雜散低很多，整個頻譜輸出更干凈。

ADF5355集成VCO的PLL涵蓋同類最寬的頻譜55 MHz至13.6 GHz，而ADF4355-2的頻率范圍是55 MHz至4.4 GHz。兩款器件都集成了超低相位噪聲VCO，對于ADF4355-2而言在3.4 GHz下產(chǎn)生–138 dBc/Hz(1 MHz失調(diào))相位噪聲，而ADF5355在6.8 GHz下產(chǎn)生–132 dBc/Hz(1 MHz失調(diào))相位噪聲。

ADF5355和ADF4355-2采用新型VCO拓?fù)浜图軜?gòu)，并在開發(fā)過程中利用ADI獲得專利的先進(jìn)SiGe-BiCMOS工藝，因而具有出色的VCO相位噪聲性能。在超寬帶寬RF和微波通信應(yīng)用中，該超低相位噪聲具有改善整體系統(tǒng)誤碼率并提升數(shù)據(jù)吞吐速率的優(yōu)勢，可提供更佳的抗噪能力和更寬的動態(tài)范圍。

ADI的高性價比、超寬帶寬PLL頻率合成器IC還具有高達(dá)125 MHz相位比較器頻率和38位分辨率，可降低抖動并允許極為精細(xì)的步進(jìn)大小，而相比分立式GaAs部署方案，采用高級BiCMOS工藝的集成式PLL和VCO可大幅降低封裝尺寸和功耗。另外，由于單個PLL頻率合成器的工作頻率可在55 MHz至13.6 GHz范圍內(nèi)配 置，因此設(shè)計人員可更為快速地對他們的系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行重新配置，并減少器件庫存，同時依然支持多頻段。

適合微波市場應(yīng)用的集成VCO的PLL

集成VCO的PLL HMC764LP6CE已針對窄帶、高性能的微波通信應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。ADI公司在業(yè)界率先推出頻率高于6 GHz的集成PLL和VCO。這些產(chǎn)品除了提供ADI出色的微波VCO性能之外，還增加了集成式高級小數(shù)頻率合成器的功能。典型應(yīng)用包括微波和毫米波無線電、工業(yè)/醫(yī)療測試設(shè)備、防務(wù)通信和電子對抗 (ECM)子系統(tǒng)等。

如圖5所示，HMC764LP6CE在其帶寬內(nèi)具有穩(wěn)定的調(diào)諧敏感度和高達(dá)16 dBm的輸出功率，因而非常適合直接驅(qū)動許多ADI高線性度、雙平衡和I/Q混頻器以及上變頻和下變頻產(chǎn)品的LO部分。

圖5. 集成VCO的PLL HMC764LP6CE的調(diào)諧靈敏度和RF輸出功率與輸出頻率的關(guān)系

圖6顯示，對于低、中和高頻范圍，HMC764LP6CE卓越的單邊帶(SSB)相位噪聲性能與偏移頻率的關(guān)系。測量該數(shù)據(jù)時參考頻率為50 MHz，環(huán)路帶寬為100 kHz，而且PFD的比較頻率為50 MHz。由于采用單芯片結(jié)構(gòu)，在溫度范圍內(nèi)及機(jī)械沖擊條件下，相位噪聲性能也很穩(wěn)定。此外，內(nèi)置FSK模式使得器件可用作簡單的低成本直接FM發(fā)射源。

圖6. 集成VCO的PLL HMC764LP6CE的SSB相位噪聲與偏移頻率的關(guān)系

即使具有這樣的高級功能和高集成度，開發(fā)高性能可編程本振仍需要大量設(shè)計時間。因此，ADI開發(fā)出集成VCO的PLL參考設(shè)計人員套件，從而可以立即測量手頭設(shè)計。

圖7所示典型評估PCB是簡單易用的通用評估套件的一部分，它可以最大程度縮短設(shè)計時間，便于快速進(jìn)行原型開發(fā)。參考設(shè)計人員套件包括一個板載參考振蕩器和若干穩(wěn)壓器，且支持通用環(huán)路濾波器配置。

圖7. 集成VCO的PLL評估PCB，包含在各設(shè)計人員套件中

利用附帶的軟件，用戶可以進(jìn)行PLL編程以及訪問其高級功能。完整操作指南提供逐步說明，方便用戶完成快速上 電并初始化評估板。本指南全面論述了評估板內(nèi)使用的元件，涵蓋針對外部基準(zhǔn)電壓重新配置評估板，以及實施板載可選擇順序無源或有源環(huán)路濾波器等主題。

各個參考設(shè)計人員套件均包含ADI專有的ADIsimPLL設(shè)計工具，用戶可以根據(jù)自己的特定應(yīng)用定制標(biāo)準(zhǔn)評估PCB環(huán)路濾波器。提供全面的基于PC的PLL控制軟件，可以經(jīng)由USB接口用PC兼容寄存器文件對PLL進(jìn)行編程。用戶僅用一臺PC、一臺信號分析儀及若干直流電源，即可在非常短的時間內(nèi)對完全鎖定的本振進(jìn)行評估。ADI 公司技術(shù)熟練的應(yīng)用工程師團(tuán)隊也可幫助客戶快速熟悉這款獨(dú)特的產(chǎn)品。

ADI集成VCO的PLL產(chǎn)品將低相位噪聲、高級功能及超小尺寸組合在一起，是微波/毫米波無線電、測試設(shè)備、微波傳感器、光纖通信以及防務(wù)通信和傳感器等許多小尺寸應(yīng)用的理想之選。

混合型頻率合成器通常采用玻璃纖維基板材料，具有一個分立式VCO、一個大型諧振器和一個金屬沖壓蓋。該裝配技術(shù)會在用戶系統(tǒng)中造成和RF接地有關(guān)的問題，還會產(chǎn)生令人討厭的電氣和顫噪耦合效應(yīng)。

與分立式混合型頻率合成器/VCO配置相比，ADI集成式頻率 生成解決方案有助于設(shè)計人員實現(xiàn)穩(wěn)定性能、高可靠性及小尺寸的目標(biāo)。

與大型混合設(shè)計相比，ADI集成VCO的PLL的諧振器也小很多，因而具有出色的顫噪性能。

這些集成VCO的PLL產(chǎn)品采用符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)的QFN無引腳封裝，非常適合高速大批量SMT裝配線。

審核編輯：何安