1、2009年4月第28卷第4期應用天地ADF4350低相噪頻率合成器在射頻無線通信設備中的應用馬國勝1楊鷺怡2(1.電子工程學院合肥230037;2.)摘要:,、功耗低的特點。ADF4350頻率合成器具有全集成、低相位噪聲的優點,()(),可以工作在極寬的連續頻率范圍內,廣泛用于無線基礎設備及測試設備,TV。本文簡要介紹了ADF4350的主要功能,詳細給出了基于ADF4350,221xx的接口連接的設計方案。關鍵詞:;均方根抖動中圖分類號:T513文獻標識碼:BApplicationofADF4350frequencysynthesizerwithlowphasenoiseintheRFwire

2、lesscommunicationdeviceMaGuosheng1YangLuyi2(1.ElectronicEngineeringInstitute,Hefei230037,China;2.ArtilleryInstitute,Hefei230031,China)Abstract:InmodernRFandmicrowaveelectronicsystems,thefrequencysourcesarerequiredwithsomecharacteristicswhilehavehigh2frequencyandlowphasenoise,andhavegoodreliability,s

3、mallsize,lowpowerconsumption.TheADF4350hasadvantagesoffullyintegratedandlowphasenoise,thevoltagecontrolledoscillator(VCO)andphase2lockedloop(PLL)areintegratedinthechip,itcanworkinawidecontinuousfrequencyranging,anditiswidelyusedtowirelessinfrastructureandtestequipment,WirelessLANs,CATVequipmentandcl

4、ockgeneration.ThemainfunctionofADF4350isbrieflyintroducedinthispaper,andsomedesignsaboutdirectconversionmodulatorthatbasedonADF4350anditsinterfacewithADuC812,ADSP221xxaregiven.Keywords:lowphasenoiseVCO;phase2lockedloop;logiccompatibility;rmsjitter0引言頻率源是現代射頻和微波電子系統的心臟,其性能直接影響整個電子系統。隨著無線電技術的發展,人們提出了各

5、種各樣的頻率源的設計方案。其中鎖相式頻率源具有輸出頻率高,頻率穩定度高、頻譜純、寄生雜波小及相位噪聲低等優點。但是在超寬帶上實現頻率連續可調一般需要使用多達10個分立的VCO/PLL,ADI公司的ADF4350頻率合成器為設計工程師提供了單芯片低相位噪聲的解決方案122。4400MHz范圍內的連續調諧。片上VCO在2.1GHz工1ADF4350功能及特點ADF4350是一款內置片上低噪聲壓控振蕩器(VCO)的鎖相環(PLL)。這款完整的頻率合成器支持137.5作頻率、1MHz偏移處的相位噪聲為-137dBc/Hz,在137.5MHz工作頻率、1MHz偏移處的相位噪聲為-155dBc/Hz,這相

6、當于2.1GHz頻率下的綜合均方根(RMS)相位誤差為0.36,137.5MHz頻率下的綜合均方根相位誤差為0.02。ADF4350內置的壓控振蕩器(VCO)可以覆蓋22004400MHz的頻率范圍。另外,ADF4350提供兩個射頻輸出端口,使用戶可對輸出功率進行數字編程。與其他同類產品不同,ADF4350支持整數N分頻與小數N分頻工作模式,允許用戶通過軟件控制方法確定最佳雜散與相位噪聲性能,從而實現最佳的性能。此外,片上1/2/4/8或16分頻電路使用戶能夠生成低至137.5MHz的射頻輸出頻率328。作者簡介:馬國勝,副教授,主要研究方向是信號處理及其應用技術。中國科技核心期刊65應用天地

7、1.1ADF4350的主要特性ADF4350的主要特性如下:輸出頻率范圍為135MHz到4.35GHz;分數N合成器和整數N合成器;2009年4月第28卷第4期ADF4350是集成了電壓控制振蕩器(VCO)的寬帶時鐘合成器,如果和外部環路共同使用來濾除外部參考頻率,可以確保分數N和整數N鎖相環(PLL)頻率合成器的執行,其輸出頻率在2.2GHz到4.4GHz之間。針對那些需要隔離的應用,RF輸出級可以被屏蔽。屏蔽功能既可以通過引腳控制,ADF4350RF輸出,所有寄存器的3.03.6V,ADF4350主(WCDMA、TD2SCDMA、WiMax、DECT)、測試設備、時鐘生成、無線LANs及C

8、ATV設備等。ADF4350引腳說明如下:CLK(1):串行時鐘輸入端。高阻CMOS輸入,數據在時鐘上升沿鎖存在32位移位寄存器中。DATA(2):串行數據輸入端。高阻CMOS輸入,串行數據首先加載MSB,第三位LSB為控制位。LE(3):加載使能端。CMOS輸入,當LE高電平時數據存入移位寄存器。CE(4):芯片使能端。該引腳邏輯低電平關閉裝置,使電荷泵處于三態模式;引腳邏輯高電平時,由電源關閉位的狀態啟動裝置。SW(5):快鎖開關。從環路濾波器與該引腳相連即可使用快鎖模式。VP(6):電荷泵電源。該引腳相當于AVDD,去耦電容到地盡可能放置在靠近該引腳的位置。CPOUT(7):電荷泵輸出端

9、。啟動時,提供ICP給外部環路濾波器,連接環路濾波器至VTUNE以驅動內部VCO。低相位噪音VCO;可編程且可被分為1/2/4/8路或16路的輸出;典型的均方根抖動值0.5ps;3.0到3.6V電源;1.8V邏輯兼容性;可編程雙模4/5或8/9預先分頻;可編程輸出功率電平;RF輸出屏蔽功能;3線串行接口;模擬和數字鎖定檢測;開關帶寬快速鎖定模式;減小周期滑移。1.2ADF4350的功能框圖及引腳說明ADF4350外引腳圖如圖1所示,所示。圖1ADF4350外引腳圖圖2ADF4350功能方框圖66中國科技核心期刊2009年4月第28卷第4期CPGND(8):電荷泵地。這是CPOUT地返回引腳。A

10、GND(9):模擬地。這是AVDD地返回引腳。AVDD(10):模擬電源。電源范圍3.03.6V。去耦電容到地盡可能放置在靠近該引腳的位置,AVDD必須和DVDD值相同。AGNDVCO(11,18,21):VCO模擬地。RFOUTA+(12)、RFOUTA2(13):VCO輸出和互補輸出。輸出是可編程的,可得到VCO的基本輸出或分頻輸出。RFOUTB+(14)、RFOUTB2(15):VCO互補輸出。輸出是可編程的,可得到VCO分頻輸出。VVCO(16,17):06V。,VVCO必須和AVDDTEMP(19)VTUNE(20):控制VCO的輸入。該電壓是由濾波CPOUT輸出電壓得到,它決定輸出

11、頻率。RSET(22):在該端與地之間連接一個電阻設置電荷泵輸出電流,在RSET端標稱偏置電壓為0.55V,ICP和RSET的關系式為:ICP=25.5/RSET應用天地式中:fREF是輸入參考頻率,D是RFfREF倍頻因子,T是參考(除0或1),R是射頻參考分頻因子。例如在UMTS系統中,要求2112.6MHz的RF輸出頻率(fOUT),在10MHz的參考頻率輸入(fREF)的情況下,在RF輸出端要求200kHz分辨率(fOUT)。注意,ADF4350的工作頻率范圍在2.2GHz到4.4GHz,輸出分頻值取2(VCO頻fRES=4225.,fOUT=fRES/2=MHz/2)圖3閉環輸出分頻

12、器在RF分頻器的輸出端要求分辨率是200kHz,因此在VCO(fRES)輸出端分辨率是fOUT的兩倍,即400kHz。M=fREF/fRESM=10MHz/400kHz=25由方程2得到fPFD=10MHz(1+0)/1=10MHz這里:RSET=5.1k,ICP=5mA。VCOM(23):在一半調諧范圍,內部補償其偏差。VREF(24):參考電壓。LD(25):鎖定檢測輸出端。該端輸出一個邏輯高電平表明鎖相環鎖定,輸出低電平即失鎖。PDBRF(26):RF電源關閉。該端邏輯低電平時屏蔽RF輸出,這一屏蔽功能可用軟件控制。DGND(27):數字地。DVDD(28):數字電源。該端應與AVDD電

13、壓相同。REFIN(29):參考輸入。這是一個以VDD/2為標稱起點的CMOS輸入,相當于100k輸入電阻的DC。這個輸入電壓能夠驅動一個TTL或CMOS晶體振蕩器,也可以進行交流耦合。MUXOUT(30):復合輸出。它允許鎖定檢測,配置RF,或配置參考頻率進入外部鏈接部分。調節器地。SDGND(31):數字2調節器電源。應與AVDD值SDVDD(32):數字2相同。(3)(4)2112.6MHz=10MHz(N+k/25)/2式中:N=422,k=13。模(M)的選擇主要取決于參考輸入和輸出分辨率,例如,在一個GSM系統中,參考輸入為13MHz,則模就要取65,這就意味著RF輸出分辨率為20

14、0kHz(13MHz/65),隨著抖動,其分數間隔取決于模的選擇(如表1所示)。表1有抖動現象的脈沖間隔條件如果M是除2,不是3如果M是除3,不是2如果M是除6其他重復長度2M3M6MM脈沖間隔波道間隔/2波道間隔/3波道間隔/6波道間隔3ADF4350的典型應用3.1在直接變換調制器中的應用2ADF4350頻率合成計算舉例下面是一個ADF4350頻率合成的一個例子:(1)fOUT=N+(k/M)fPFD/2式中:fOUT是射頻輸出頻率,N是整數分頻因子,k是小數分頻因子,M是模。(2)fPFD=fREF(1+D)/(R(1+T)直接變換架構越來越多的被用在基站發射機中,圖4所示即為ADF43

15、50在直接變換調制器中的應用電路。圖中顯示AD9761TxDAC和ADL5375結合使用,使用雙集成DAC,例如像AD9788具有獨特的0.02dB和0.001dB的增益和偏移匹配的特點,在整個溫度范圍確保信號鏈這部分的最小誤差。本地振蕩器(LO)由ADF4350實現,低通濾波器使用ADIsimPLLTM方案實現200kHz波道間隔及35kHz閉環帶寬。ADL5375的LO部分可由ADF4350的互補RFOUTA和中國科技核心期刊67應用天地RFOUTB輸出的差動來驅動,這使得其性能優于單端的LO驅2009年4月第28卷第4期ADF4350,可通過軟件編程以得到最佳的LO功率。RF輸出是為了推

16、動50負載,如圖3所示。如果I動器,并在ADL5375中省去使用變壓器。在這個配置中,LO的典型均方根相位噪聲(100Hz至5MHz)為0.61。AD8349的LO驅動值為-10dBm到0dBm,對于和Q輸入是由2Vp2p信號正交驅動,那么調制器輸出功率大約為2dBm。圖4ADF4350直接變換調制器電路圖3.2ADF4350在ADuC812及ADSP221xx接口連接上的應用在ADF4350中有一個兼容SPI串行接口,CLK、DATA和LE控制數據傳輸。當LE高電平時,將已鎖入寄存器的32位數據在時鐘CLK的上升沿移到相應的鎖存器中,如圖5為其時間圖,表2為寄存器地址表。圖6顯示了ADF43

17、50和ADuC812MicroConverter 接口連接,由于ADuC812是基于8051核,因此這個接口可以用于任何基于8051的微控制器中。為實現SPI控制模式,以CPHA=0設定MicroConverter。初始工作,驅動LE的I/O口被置為低電平。ADF4350的每次鎖存都需要一個32位字,從MicroConverter到設備上是通過寫四個8位字節來完成的。當第四個字節被寫入時,LE輸入應被置為高電平以完成傳送。ADuC812上的I/O口線也被用于控制電源關閉輸入(CE)和鎖定檢測。當在所述方式下工作時,ADuC812的最大SCLOCK是4MHz,這就意味著其可變輸出頻率的最大值是1

18、25kHz。表2C3、C2、C1的真值表控制位寄存器C3000011C2001100C1010101寄存器0(R0)寄存器1(R1)寄存器2(R2)寄存器3(R3)寄存器4(R4)寄存器5(R5)68中國科技核心期刊2009年4月第28卷第4期應用天地電路架構簡單,可靠性高。由于ADF4350提供兩個射頻輸出口,用戶可對輸出功率進行數字編程,而且它支持整數N分頻與小數N分頻模式,用戶可通過軟件控制方法確定最佳雜散與相位噪聲性能,從而實現最佳的性能。另外由于ADF4350兼容了SPI串行接口,它與ADuC812接口適用于任何基于8051的微控制器,應用非常方便。在數字信號處理器中,ADF4350與ADSP221xx的連接實現了整塊串行數據的傳送,應用前景非常廣泛。圖6ADF4350和ADuC812接口連接參考文獻1GILMORER,BESSERL.現代無線系統射頻電路實用設計M.楊芳,翁木云譯,北京:電子工業出版社,2006.2李智群,王志功.射頻集成電路與系統M.北京:科學出版社,2008.3ROHDEUL,NEWKIRKDP.無線應用射頻微波電路設計M.劉光祜,張玉興,譯,北京:電子工業出版社,