高性能鎖相環(huán)PE3293及其應(yīng)用

摘要：在無線通信中，降低頻率合成器的相位噪聲和抑制其相應(yīng)的寄生輸出，一直是設(shè)計(jì)者追求的目標(biāo)。PE3293是Peregrine公司生產(chǎn)的高性能１.８GHz／550MHz雙模整數(shù)分頻集成鎖相環(huán)電路，它具有超低的寄生輸出。文中介紹了PE3293的特點(diǎn)功能和組成原理，給出了PE3293在頻率綜合器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用電路。
　　關(guān)鍵詞：頻率合成器；相位噪聲；寄生輸出；PLL；PE3293
　　
　�。币�言
　　
　　在無線應(yīng)用中，相位噪聲和寄生輸出是頻率合成器的關(guān)鍵參數(shù)。ＰＨＳ、ＧＳＭ和ＩＳ－５４等相位調(diào)制蜂窩系統(tǒng)的ＲＦ系統(tǒng)設(shè)計(jì)均需要低噪聲的頻率合成模塊，同時(shí)頻率切換時(shí)間和寄生輸出的抑制對系統(tǒng)也很重要。頻率合成器作為一種高質(zhì)量的信號源，與電子系統(tǒng)的性能有很大關(guān)系。在通信系統(tǒng)中，使用高穩(wěn)定的信號源，可以充分利用頻率資源。實(shí)際上，在電子對抗、導(dǎo)航等電子系統(tǒng)中，高指標(biāo)的信號源會給系統(tǒng)帶來良好的性價(jià)比，從而為系統(tǒng)設(shè)計(jì)師提供可靠的技術(shù)保障。
　　
　　頻率合成主要有直接式、鎖相式和直接數(shù)字式三種方法。其中直接式頻率合成法由于輸出的諧波、噪聲及寄生頻率均難以抑制而較少采用；目前廣泛采用的直接數(shù)字式頻率合成方法也面臨輸出頻率上限難以提高和寄生輸出難以抑制兩個(gè)難題。而鎖相式頻率合成器是七十年代鎖相技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的結(jié)果，隨著集成化程度的越來越高，各種控制電路、程序分頻器、鑒頻／鑒相器等數(shù)字電路目前已可集成到一個(gè)芯片中。因此，現(xiàn)在，許多微波和毫米波頻率合成器的設(shè)計(jì)往往采用鎖相式的頻率合成方法來實(shí)現(xiàn)。
　　
　�。玻校牛常玻梗车奶攸c(diǎn)功能
　　
　�。玻�１主要特點(diǎn)
　　
　　ＰＥ３２９３是Ｐｅｒｅｇｒｉｎｅ公司生產(chǎn)的一款高性能１．８ＧＨｚ／５５０ＭＨｚ雙模整數(shù)分頻集成鎖相環(huán)，它內(nèi)部集成了脈沖整形電路、鑒頻／鑒相器電路、預(yù)分頻、程序分頻器、÷３２／３３和÷１６／１７兩個(gè)雙模式分頻器、控制電路和鎖相指示等電路。由于該ＩＣ采用了Ｐｅｒｅｇｒｉｎｅ的ＵＴＳｉＣＭＯＳ專利技術(shù)，因此，它的寄生輸出成分在整個(gè)工作頻段內(nèi)都極低。ＰＥ３２９３具有以下特點(diǎn)：
　　
　　●采用先進(jìn)的寄生輸出抑制技術(shù)，具有非常好的相位噪聲特性和較高的頻率穩(wěn)定度；
　　
　　●具有÷３２／３３和÷１６／１７兩個(gè)雙模式分頻器?其中前者的工作頻率能達(dá)到１．８ＧＨｚ，后者的工作頻率能達(dá)到５００ＭＨｚ；
　　
　　●功耗很小，采用雙環(huán)工作模式時(shí)，其典型工作電流為４ｍＡ；
　　
　　●工作電壓為２．７～３．３Ｖ；
　　
　　●具有２４腳ＢＣＣ和２０腳ＴＳＳＯＰ兩種封裝形式；
　　
　　●可用于ＰＣＳ基站、ＣＤＭＡ和手持式無線產(chǎn)品中。
　　
　�。玻�２引腳說明
　　
　�。校牛常玻梗尘哂袌D１和圖２所示的兩種封裝形式?其中２４腳ＢＣＣ封裝只比２０腳ＴＳＳＯＰ封裝多４個(gè)保留引腳，其余引腳的引腳定義均相同，表１所列是２０腳ＴＳＳＯＰ封裝的引腳定義。
　　
　　表1PE3293（以20腳TSSOP封裝為例）的引腳定義
　　
　　序號名稱類型
　　功能描述
　　
　　1N/C不連接2VDD電源，2.7～3.3V，需用一個(gè)電容就近旁路接地3CP1輸出PLL1內(nèi)部的脈沖成形輸出，用作外部VCO的輸入驅(qū)動4GND地端5fin1輸入從PLL1（RR）VCO來的預(yù)分頻器輸入，最大頻率為1.8GHz6Dec1PLL1的電源去耦端，有必要用一個(gè)電容就近接地7VDD1PLL1預(yù)分頻器的電源，一般經(jīng)3.3kΩ的電阻連到VDD8fr輸入?yún)⒖碱l率輸入9GND地端10f0LD輸出復(fù)用器輸出，包括PLL1和PLL2主計(jì)數(shù)器或參考計(jì)數(shù)器輸出/時(shí)鐘檢測信號，以及移位寄存器移出數(shù)據(jù)11Clock輸入CMOS時(shí)鐘輸入，在時(shí)鐘信號的上升沿，各種計(jì)數(shù)器的串行數(shù)據(jù)將送入21bit的移位寄存器12Data輸入二進(jìn)制串行數(shù)據(jù)輸入，為CMOS輸入數(shù)據(jù)，MSB先，2bit的LSB為控制比特13LE輸入負(fù)載使能CMOS入，當(dāng)LE為高時(shí)，21bit的串行移位移位寄存器中的數(shù)據(jù)字將被送入相應(yīng)的四個(gè)鎖存器之一中（由控制比特決定）14VDD2輸出PLL1預(yù)分頻器的電源，使用時(shí)經(jīng)3.3kΩ的電阻連到VDD015Dec2輸出PLL1的電源去耦端，有必要用一個(gè)電容就近接地16fin2輸入從PLL1（IF）VCO來的預(yù)分頻器輸入，最大頻率為500MHz17GND地端18CP2輸出PLL1內(nèi)部的脈沖成形輸出，用作外部VCO的輸入驅(qū)動19VDD2.7～3.3V電源，需經(jīng)一個(gè)電容就近接地20VDD電源，2.7～3.3V，需經(jīng)一個(gè)電容就近接地
　�。常校牛常玻梗车慕M成原理
　　
　　ＰＥ３２９３的功能原理框圖如圖３所示，它主要由２１－ｂｉｔ串行控制寄存器、一個(gè)復(fù)用輸出器以及鎖相環(huán)ＰＬＬ１和ＰＬＬ２組成。每個(gè)ＰＬＬ都有一組除Ｎ的整數(shù)主計(jì)數(shù)器、一個(gè)參考計(jì)數(shù)器、一個(gè)鑒相器以及帶內(nèi)部補(bǔ)償電路的內(nèi)部脈沖成形器，而每個(gè)除Ｎ的整數(shù)主計(jì)數(shù)器則包括一個(gè)內(nèi)部雙模預(yù)分頻器，可用作計(jì)數(shù)和小數(shù)累加。
　　
　　串行數(shù)據(jù)輸入端Ｄａｔａ輸入的數(shù)據(jù)可在時(shí)鐘Ｃｌｏｃｋ的上升沿逐次移入２１ｂｉｔ的移位寄存器，其中ＭＳＢ?Ｍ１６?最先輸入，當(dāng)ＬＥ為高時(shí)，數(shù)據(jù)送入最后２位地址位所決定的２１ｂｉｔ的移位寄存器的相應(yīng)地址中。圖４所示是ＰＥ３２９３的寄存器位。如果將ｆＬＤ用作數(shù)據(jù)輸出，那么移位寄存器中的Ｓ２０的內(nèi)容將在Ｃｌｏｃｋ的下降沿送入ｆＬＤ，這樣，ＰＥ３２９３和相應(yīng)的器件就構(gòu)成了環(huán)狀結(jié)構(gòu)。
　　
　�。校蹋蹋保ǎ遥疲┑模郑茫项l率ｆｉｎ１的大小與ｆｒ的值有關(guān)，它們之間的關(guān)系如下：
　　
　�。妫椋睿保絒(３２×Ｍ１)＋Ａ１＋(Ｆ１／３２)]×?ｆｒ／Ｒ１?
　　
　　值得注意的是，為了獲得連續(xù)的信道，必須滿足Ａ１小于等于Ｍ１，而且ｆｉｎ１必須大于等于１０２４倍的（ｆｒ／Ｒ１）。
　　
　�。校蹋蹋玻ǎ桑疲┑模郑茫项l率ｆｉｎ２的大小與ｆｒ的值有關(guān)，它們的關(guān)系如下：
　　
　�。妫椋睿玻絒１６Ｍ２＋Ａ２＋(Ｆ２／３２)]×(ｆｒ／Ｒ２)
　　
　　同理，為了獲得連續(xù)的信道，必須滿足Ａ２小于等于Ｍ２，ｆｉｎ２必須大于等于２５６倍的（ｆｒ／Ｒ２）。
　　
　　Ｆ１可用于決定ＰＬＬ１的分頻比，如果Ｆ１為偶整數(shù)，那么，ＰＥ３２９３可自動化簡分頻數(shù)。比如，Ｆ１等于１２時(shí)?分?jǐn)?shù)１２／３２將自動化簡為３／８這樣，分母就可能為２，４，８，１６和３２。相應(yīng)地，Ｆ２可用于決定ＰＬＬ２的分頻比。
　　
　　圖4
　　
　�。矗校牛常玻梗车牡湫蛻�(yīng)用電路
　　
　�。校牛常玻梗撤浅＿m合基于ＰＣＳ基站的ＣＤＭＡ無線通信系統(tǒng)，它能保持很低的相位噪聲和寄生輸出成分，而且功耗非常低，使用也很方便，幾乎不需要多少外圍電路。它的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是具有一個(gè)高阻ＶＣＯ輸入引腳，因此這就避免了在ＶＣＯ、ＰＬＬ和ＲＦ電路中使用功分器的麻煩。
　　
　　在頻率綜合器的設(shè)計(jì)中，環(huán)路濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)要權(quán)衡很多因素，環(huán)路帶寬一般定為步進(jìn)頻率的１０％。對二階環(huán)來說，ＰＥ３２９３可以提供快速的鎖定時(shí)間，而且環(huán)路帶寬的增加還可以減少鎖定時(shí)間，但過寬又會導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。如果對鎖定時(shí)間的要求不是很高的話，較窄的二階環(huán)可殘留較少的ＦＭ?而且不需要增加額外的器件；而三階環(huán)在鎖定時(shí)間和殘留ＦＭ中可進(jìn)行較好的協(xié)調(diào)。ＰＥ３２９３器件中的ＰＬＬ自帶接地電容和成形電路，其中ＰＬＬ１自帶５０ｐＦ的接地電容，而ＰＬＬ２自帶１００ｐＦ的接地電容。對于窄帶環(huán)路濾波來說，這些電容是相對透明的。但隨著環(huán)路帶寬的增加，內(nèi)部電容將起主要作用，它將限制環(huán)路帶寬。而對大多數(shù)應(yīng)用系統(tǒng)來說，這不是考慮的主要因素。比如，當(dāng)ＰＬＬ１用作步進(jìn)頻率為８０ｋＨｚ時(shí)，環(huán)路帶寬可以為８ｋＨｚ。這對于二階環(huán)和三階環(huán)的環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)來說，利用Ｐｅｒｅｇｒｉｎｅ公司的軟件Ｉｎｔ－Ｎ＿ＰＤ＿ＬＰＦ很容易實(shí)現(xiàn)。該軟件可以在Ｐｅｒｅｇｒｉｎｅ公司的主頁上免費(fèi)下載。
　　
　　數(shù)據(jù)輸入端Ｄａｔａ輸入的數(shù)據(jù)在時(shí)鐘輸入Ｃｌｏｃｋ的上升沿逐次移入２１ｂｉｔ的移位寄存器且ＭＳＢ(Ｍ１６)在先，因此，當(dāng)ＬＥ為高時(shí)，數(shù)據(jù)送入由圖４所示的最后２位地址位所決定的２１ｂｉｔ移位寄存器的相應(yīng)地址中。比如，當(dāng)程序?qū)τ?jì)數(shù)器Ａ１進(jìn)行控制時(shí)，送入寄存器的最后兩比特(Ｓ０,Ｓ１)應(yīng)為(１,１)，計(jì)數(shù)器Ａ１中的５比特位可以按表２設(shè)置。因此，在正常情況下，即使不用ＰＬＬ２?ＩＦ??Ｓ１６也應(yīng)設(shè)為０。應(yīng)注意的是，ＰＥ３２９３的工作模式、鑒相器極性和功率控制均可以由Ｃ１０～Ｃ１４和Ｃ２０～Ｃ２４來控制。
　　
　　表2PE3293的計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)表
　　
　　分頻比MSBLSB地址位S11S10S9S8S7S1S0A14A13A12A11A1011000000111000011120001011------11311111111
　　在該頻率合成器的程序控制中，如果控制引腳處于低阻狀態(tài)，將有可能產(chǎn)生頻率波動現(xiàn)象，這種情況可以通過５１Ω的串聯(lián)電阻來解決。在圖５中，第１、７、１３、１９和２３為保留引腳，可以將其連接到地或電源。為了獲得最好的效果，Ｃｉｎ１（第５腳）應(yīng)盡可能地靠近這些引腳，并對ＶＣＯ部分接地引線采用ＲＦ布局布線技術(shù)，以免引入干擾。
　　
　　５結(jié)語
　　
　　本文介紹了ＰＥ３２９３的基本原理和應(yīng)用方法，利用該專用集成芯片設(shè)計(jì)的頻率合成器具有較好的相位噪聲特性、鎖定時(shí)間和抑制寄生輸出。在偏置為１ｋＨｚ時(shí)，該器件的相位噪聲小于６０ｄＢｃ／Ｈｚ，寄生輸出小于－７０ｄＢｃ；步進(jìn)為１００ｋＨｚ時(shí)，鎖定時(shí)間小于２．３ｍｓ。
　　

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