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進口德國Woelke GMM01.04.311

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在進行小數(shù)分頻頻率合成器的芯片測試時，數(shù)字部分可以通過常規(guī)的數(shù)字測試方法即可以實現(xiàn);而輸出射頻信號的相位噪聲、雜散噪聲則需要芯片工作在正常的輸出狀態(tài)下才能測試;因此小數(shù)分頻頻率合成器芯片在測試時需要與外接環(huán)路濾波器(LF)、壓控振蕩器(VCO)才能構(gòu)成完整的鎖相環(huán)回路，在具備正常的芯片功能的前提下才能實現(xiàn)對其相位噪聲、雜散噪聲下的測試。本文以ADF4153小數(shù)分頻頻率合成器為例，研究了其外圍環(huán)路濾波器的設(shè)計方法，給出了基于芯片測試的環(huán)路濾波器設(shè)計流程，并進行了驗證測試。
 

　　1.外接環(huán)路濾波器設(shè)計

　　環(huán)路濾波器是電荷泵鎖相環(huán)電路的重要環(huán)節(jié)，它連接在電荷泵和壓控振蕩器之間。鎖相環(huán)的基本頻率特性是由環(huán)路濾波器決定的。實際上，正是由于環(huán)路濾波器的存在，鎖相環(huán)才可以選擇工作在任意的中心頻率和帶寬內(nèi)。環(huán)路濾波器的類型多種多樣，大致分為有源濾波器和無源濾波器兩大類，無源濾波器與有源濾波器相比，其優(yōu)點在于：結(jié)構(gòu)簡單、低噪聲、高穩(wěn)定度和易以實現(xiàn)。

　　最常見的無源濾波器是如圖1所示的三階濾波器。一般而言，環(huán)路濾波器的帶寬應(yīng)為PFD頻率(通道間隔)的1/10.提高環(huán)路帶寬會縮短鎖定時間。但環(huán)路帶寬過大會大幅度地增加不穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致鎖相環(huán)無法鎖定的狀態(tài)。

　　圖1 三階環(huán)路濾波器

　　三階無源濾波器的傳遞函數(shù)為：

　　其中：

　　聯(lián)合公式(1)、(2)可以得出：

　　其中：K0=C2R2,K1=C1C2C3R2R3，K2=[(C1+C2)C3R3+(C1+C3)C2R2]，K3=C1C2C3。

　　為了求取C1、C12、C3和R1、R2的取值，首先需要確定設(shè)計需要的帶寬及相位裕度，諸多文獻給出了詳細的求取步驟，在此不再敷述。然而，在實際的應(yīng)用時，這種計算方法較為繁瑣，不利于工程設(shè)計使用。

　　ADI公司發(fā)布的ADIsimPLL頻率合成器設(shè)計軟件可以很方便地根據(jù)用戶的使用要求進行環(huán)路濾波器的設(shè)計。它將應(yīng)用工程師從繁雜的數(shù)學(xué)計算中解脫出來。應(yīng)用者只要輸入設(shè)置環(huán)路濾波器的幾個關(guān)鍵參數(shù)，ADISimPLL就可以自動地計算出所需要的濾波器元器件的數(shù)值。這些參數(shù)包括：鑒相頻率PFD,電荷泵電流ICP,環(huán)路帶寬BW,相位裕度，VCO控制靈敏度Kv,濾波器的形式(有源或無源，階數(shù))。然而，在芯片測試時，如何盡可能地將外界電路(如環(huán)路濾波器)引入的噪聲降低，以測試出芯片的真實性能，這是芯片外圍電路設(shè)計時需要解決的問題。

　　2.設(shè)計參數(shù)選擇

　　為了研究環(huán)路濾波器對鎖相環(huán)輸出頻率相位噪聲的影響，設(shè)計出符合芯片測試需要的外圍環(huán)路濾波器。本文在ADIsimPLL軟件中進行了如下仿真配置。器件型號：ADF 4153，fPFD=25MHz(理想信號源)，INT=69，F(xiàn)RAC=101，MOD=125，VCO采用ZComm公司的V674ME34-LF，在該配置下，預(yù)期輸出的RFOUT=1.7452GHz。

　　(a)設(shè)定環(huán)路濾波器帶寬為20kHz,相位裕度50°，其相位噪聲的仿真情況如圖2所示。

　　圖2 環(huán)路帶寬20kHz時的相位噪聲仿真圖

　　從圖2中可以得知，當環(huán)路濾波帶寬為20kHz時，VCO所引起的相位噪聲占據(jù)了主導(dǎo)地位。芯片所引起的相位噪聲則被淹沒在總輸出噪聲之下。換句話說，當環(huán)路帶寬較窄(如20kH)的情況下，針對鎖相環(huán)輸出信號進行相位噪聲測試，其結(jié)果并不能真正地反映芯片輸出的相位噪聲。

　　(b)設(shè)定環(huán)路濾波器帶寬為100kHz，相位裕度50°，其相位噪聲的仿真情況如圖3所示。

　　圖3 環(huán)路帶寬為100kHz時的相位噪聲仿真圖

　　從圖3中可以得知，當環(huán)路濾波帶寬為100kHz時，VCO對于總相位噪聲的貢獻顯著地降低，芯片所引起的相位噪聲占據(jù)了主導(dǎo)地位，在10kHz以內(nèi)，總相位噪聲輸出的曲線基本與芯片所引起的相位噪聲重合。由此可以得知，當環(huán)路帶寬較寬(如100kHz)的情況下，針對鎖相環(huán)輸出信號進行相位噪聲測試，其結(jié)果基本能真正反映芯片輸出的相位噪聲。

　　本文研究的ADF 4154的主要測試頻點為1.7452GHz(fPFD=25MHz,RSET=5.1k)，根據(jù)測試要求進行綜合的考慮，設(shè)定了環(huán)路帶寬75kHz,相位裕度50°的約束條件。在進行ADF 4153的外圍電路設(shè)計時，首先需要確認所使用的VCO型號及其標稱性能。然后再根據(jù)ADI公司提供的ADIsim-PLL軟件進行三階環(huán)路濾波器的設(shè)計。從軟件得出C1~C3、R2、R3的具體取值，再根據(jù)現(xiàn)有的標稱電容電阻值進行調(diào)整，反算出實際設(shè)計的環(huán)路帶寬及相位裕度。實際數(shù)據(jù)如表1所示。

表1三階環(huán)路濾波器電容與電阻的取值.jpg

　　由此，我們確定了環(huán)路濾波器中各個電容、電阻的取值，并設(shè)計了可用于ADF 4153芯片測試的電路原理圖，如圖4所示。VCO的輸出不僅需要連接外部頻譜儀進行測試，還需要通過電容反饋到ADF 4153的REFINA端，同時REFINA端還需要預(yù)留SMA頭用于射頻輸入頻率范圍及靈敏度測試。一個簡單的電阻網(wǎng)絡(luò)用于完成VCO輸出信號功率的再分配。