閆文智

中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036

1 概述

頻率合成器是現(xiàn)代射頻系統(tǒng)的重要組成單元，目前在雷達(dá)、通訊、導(dǎo)航和儀器儀表中都得到了廣泛的應(yīng)用。其工作原理是以一個(gè)或多個(gè)基準(zhǔn)頻率作為參考，在內(nèi)部進(jìn)行四則運(yùn)算，產(chǎn)生有同樣穩(wěn)定度和精確度的輸出頻率。頻率合成的方法目前主要分為直接合成法和鎖相環(huán)路法。由于鎖相環(huán)路法具有頻率穩(wěn)定度高，抑止寄生分量強(qiáng)，集成度和易小型化的特點(diǎn)，所以應(yīng)用非常廣泛。本文基于Si4136芯片介紹了鎖相式頻率合成器的工作原理及應(yīng)用設(shè)計(jì)，具有低功耗，體積小，輸出頻率相位噪聲低等特點(diǎn)，可作為通信設(shè)備中超外差接收機(jī)的鎖相頻率合成器使用。

2 鎖相式頻率合成器的基本工作原理

鎖相式頻率合成器采用了數(shù)字鎖相式頻率合成技術(shù)，其基本工作原理如圖1所示。壓控振蕩器的輸出頻率fV經(jīng)過固定分頻器和程控分頻器兩次分頻后與參考頻率fR進(jìn)行相位或頻率的比較，在數(shù)字鑒相器的輸出端產(chǎn)生控制電壓UD，輸入到環(huán)路濾波器。環(huán)路濾波器能過濾掉高頻分量及噪聲，平滑鑒相器的輸出電壓，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。環(huán)路濾波器的輸出電壓UK的極性與大小直接影響壓控振蕩器的輸出頻率fV，具體表現(xiàn)為UK的極性決定振蕩頻率fV的調(diào)整方向，UK的大小決定fV的頻率變化大小。

在相同的參考頻率fR下為了得到不同的輸出頻率fV，可在程序分頻器中設(shè)置不同的分頻比N。fR和fV關(guān)系表達(dá)式為:

fV=MNfR

式中，M是固定分頻比，N是程序分頻比，fR是參考頻率，fV是頻率合成器的輸出頻率。

圖1 鎖相式頻率合成器原理圖

3 Si4136的工作原理及特點(diǎn)

Si4136電路是美國(guó)Silicon Laboratories公司推出的含有壓控振蕩器的完整頻率合成器，由一個(gè)中頻鎖相環(huán)、兩個(gè)射頻鎖相環(huán)、三個(gè)壓控振蕩器和三線控制器以及一個(gè)22位的數(shù)據(jù)寄存器構(gòu)成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2。

由于其芯片內(nèi)部已經(jīng)包含了完整的參考放大器，鑒相器，壓控振蕩器（VCO）及環(huán)路濾波器等鎖相環(huán)路工作的必要環(huán)節(jié)，所以當(dāng)Si4136作為本振設(shè)計(jì)時(shí)，只需要外部提供電源，時(shí)鐘參考，單片機(jī)輸出控制信號(hào)即可。

工作時(shí)，外部參考信號(hào)輸入到Si4136后，經(jīng)R分頻器得到鑒相基準(zhǔn)頻率送至鑒相器。單片機(jī)的程序通過時(shí)鐘信號(hào)CLK、數(shù)據(jù)信號(hào)SDATE和使能信號(hào)SENB等三根控制信號(hào)寫入Si4136芯片，可對(duì)Si4136的各種狀態(tài)進(jìn)行控制及修改。

當(dāng)Si4136接收到反饋回來的輸出頻率后，經(jīng)N分頻器得到分頻后的反饋信號(hào)，與分頻后的參考信號(hào)在鑒相器中比較，輸出低頻控制信號(hào)以控制內(nèi)部VCO的頻率，使其鎖定在參考頻率的穩(wěn)定度上。

圖2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

Si4136電路具有以下特點(diǎn):

1）具有一個(gè)中頻鎖相環(huán)，兩個(gè)射頻鎖相環(huán)；

2）內(nèi)部含有完整的頻率合成器，包括了壓控振蕩器、環(huán)路濾波器、鑒相器等部分；

3）輸出信號(hào)相位噪聲低；

4）功耗低。在3V電壓下待機(jī)電流小于1μA，工作電流小于18mA；

5）體積小。采用24腳TSSOP封裝。

4 本振電路設(shè)計(jì)

圖3 本振設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖

圖3為本振設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖。本文以產(chǎn)生頻率為fo=2400MHz的本振信號(hào)為例，設(shè)計(jì)中采用10MHz晶振作為本振電路的輸入?yún)⒖?，即fREF=10MHz。Si4136可允許的鑒相頻率fφ范圍為0.01MHz～1MHz，設(shè)計(jì)中就以fφ=1MHz為環(huán)路的鑒相頻率計(jì)算，所以參考時(shí)鐘分頻器R=fREF/fφ=10。由于Si4136中射頻鎖相環(huán)含有一個(gè)固定的2分頻器，由關(guān)系式:FVOC=（P*B+A）*FREF/R知，計(jì)算得出N=1200。即可得出產(chǎn)生2400MHz本振，由單片機(jī)寫入控制寄存器的控制字分別為R=(000A)16，N=(04B0)16。

本振輸出端口，為了驅(qū)動(dòng)外圍50歐的負(fù)載，需要在輸出端口加入匹配電路。當(dāng)fo＞500MHz時(shí)，匹配電路如圖4所示。

圖4 匹配電路圖

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用頻譜分析儀對(duì)Si4136產(chǎn)生2400MHz的單載波信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，其相位噪聲測(cè)試圖如圖5所示，相位噪聲指標(biāo)為:＜-70dBc/Hz@100Hz，＜-80dBc/Hz@1kHz, ＜-90dBc/Hz@10kHz,＜-105dBc/Hz@100kHz，滿足工程設(shè)計(jì)的需求。

圖5 2.4GHz相位噪聲圖

6 結(jié)論

采用Si4136構(gòu)成的鎖相式頻率合成電路已廣泛應(yīng)用于眾多射頻收發(fā)本振設(shè)計(jì)當(dāng)中，它的小型化低損耗已越來越顯示出自身的優(yōu)點(diǎn)。

[1]張厥盛，鄭繼禹，萬心平.鎖相技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，1994.

[2]仇善忠，張冠百.鎖相與頻率合成技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社，1996.

[3]周洪敏，王紅玉，顧艷麗.直接數(shù)字頻率合成技術(shù)及其設(shè)計(jì)方案[J].科技咨詢導(dǎo)報(bào)，2007(24):127-128.