ADF4350低相噪頻率合成器在射頻無線通信設(shè)備中的應(yīng)用

2009年4月第28卷第4期應(yīng)用天地ADF4350低相噪頻率合成器在射頻無線通信設(shè)備中的應(yīng)用馬國勝1楊鷺怡2(1.電子工程學(xué)院合肥;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(yōu)點,()(),可以工作在極寬的連續(xù)頻率范圍內(nèi),廣泛用于無線基礎(chǔ)設(shè)備及測試設(shè)備,TV。本文簡要介紹了ADF4350的主要功能,詳細(xì)給出了基于ADF4350,221xx的接口連接的設(shè)計方案。關(guān)鍵詞:;均方根抖動中圖分類號:T513文獻標(biāo)識碼:BApplicationofADF4350frequencysynthesizerwithlowphasenoiseintheRFwirelesscommunicationdeviceMaGuosheng1YangLuyi2(1.ElectronicEngineeringInstitute,Hefei,China;2.ArtilleryInstitute,Hefei,China)Abstract:InmodernRFandmicrowaveelectronicsystems,thefrequencysourcesarerequiredwithsomecharacteristicswhilehavehigh2frequencyandlowphasenoise,andhavegoodreliability,smallsize,lowpowerconsumption.TheADF4350hasadvantagesoffullyintegratedandlowphasenoise,thevoltagecontrolledoscillator(VCO)andphase2lockedloop(PLL)areintegratedinthechip,itcanworkinawidecontinuousfrequencyranging,anditiswidelyusedtowirelessinfrastructureandtestequipment,WirelessLANs,CATVequipmentandclockgeneration.ThemainfunctionofADF4350isbrieflyintroducedinthispaper,andsomedesignsaboutdirectconversionmodulatorthatbasedonADF4350anditsinterfacewithADuC812,ADSP221xxaregiven.Keywords:lowphasenoiseVCO;phase2lockedloop;logiccompatibility;rmsjitter0引言頻率源是現(xiàn)代射頻和微波電子系統(tǒng)的心臟,其性能直接影響整個電子系統(tǒng)。隨著無線電技術(shù)的發(fā)展,人們提出了各種各樣的頻率源的設(shè)計方案。其中鎖相式頻率源具有輸出頻率高,頻率穩(wěn)定度高、頻譜純、寄生雜波小及相位噪聲低等優(yōu)點。但是在超寬帶上實現(xiàn)頻率連續(xù)可調(diào)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(shè)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(nèi)的連續(xù)調(diào)諧。片上VCO在2.1GHz工1ADF4350功能及特點ADF4350是一款內(nèi)置片上低噪聲壓控振蕩器(VCO)的鎖相環(huán)(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,這相當(dāng)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(nèi)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(shù)字編程。與其他同類產(chǎn)品不同,ADF4350支持整數(shù)N分頻與小數(shù)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(xiàn)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(yīng)用技術(shù)。中國科技核心期刊65應(yīng)用天地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?jǐn)?shù)N合成器和整數(shù)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(huán)路共同使用來濾除外部參考頻率,可以確保分?jǐn)?shù)N和整數(shù)N鎖相環(huán)(PLL)頻率合成器的執(zhí)行,其輸出頻率在2.2GHz到4.4GHz之間。針對那些需要隔離的應(yīng)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(shè)備、時鐘生成、無線LANs及CATV設(shè)備等。ADF4350引腳說明如下:CLK(1):串行時鐘輸入端。高阻CMOS輸入,數(shù)據(jù)在時鐘上升沿鎖存在32位移位寄存器中。DATA(2):串行數(shù)據(jù)輸入端。高阻CMOS輸入,串行數(shù)據(jù)首先加載MSB,第三位LSB為控制位。LE(3):加載使能端。CMOS輸入,當(dāng)LE高電平時數(shù)據(jù)存入移位寄存器。CE(4):芯片使能端。該引腳邏輯低電平關(guān)閉裝置,使電荷泵處于三態(tài)模式;引腳邏輯高電平時,由電源關(guān)閉位的狀態(tài)啟動裝置。SW(5):快鎖開關(guān)。從環(huán)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(dāng)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。啟動時,提供ICP給外部環(huán)路濾波器,連接環(huán)路濾波器至VTUNE以驅(qū)動內(nèi)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(yù)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(shù)字鎖定檢測;開關(guān)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。AGND(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,它決定輸出頻率。RSET(22):在該端與地之間連接一個電阻設(shè)置電荷泵輸出電流,在RSET端標(biāo)稱偏置電壓為0.55V,ICP和RSET的關(guān)系式為:ICP=25.5/RSET應(yīng)用天地式中:fREF是輸入?yún)⒖碱l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(tǒng)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(huán)輸出分頻器在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(diào)諧范圍,內(nèi)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(huán)鎖定,輸出低電平即失鎖。PDBRF(26):RF電源關(guān)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(shù)字地。DVDD(28):數(shù)字電源。該端應(yīng)與AVDD電壓相同。REFIN(29):參考輸入。這是一個以VDD/2為標(biāo)稱起點的CMOS輸入,相當(dāng)于100k輸入電阻的DC。這個輸入電壓能夠驅(qū)動一個TTL或CMOS晶體振蕩器,也可以進行交流耦合。MUXOUT(30):復(fù)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(diào)節(jié)器地。SDGND(31):數(shù)字2調(diào)節(jié)器電源。應(yīng)與AVDD值SDVDD(32):數(shù)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(tǒng)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200kHz(13MHz/65),隨著抖動,其分?jǐn)?shù)間隔取決于模的選擇(如表1所示)。表1有抖動現(xiàn)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(fù)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(yīng)用3.1在直接變換調(diào)制器中的應(yīng)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(shù)分頻因子,k是小數(shù)分頻因子,M是模。(2)fPFD=fREF(1+D)/(R(1+T)直接變換架構(gòu)越來越多的被用在基站發(fā)射機中,圖4所示即為ADF4350在直接變換調(diào)制器中的應(yīng)用電路。圖中顯示AD9761TxDAC和ADL5375結(jié)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(xiàn),低通濾波器使用ADIsimPLLTM方案實現(xiàn)200kHz波道間隔及35kHz閉環(huán)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(yīng)用天地RFOUTB輸出的差動來驅(qū)動,這使得其性能優(yōu)于單端的LO驅(qū)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輸出是為了推動50負(fù)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(qū)動值為-10dBm到0dBm,對于和Q輸入是由2Vp2p信號正交驅(qū)動,那么調(diào)制器輸出功率大約為2dBm。圖4ADF4350直接變換調(diào)制器電路圖3.2ADF4350在ADuC812及ADSP221xx接口連接上的應(yīng)用在ADF4350中有一個兼容SPI串行接口,CLK、DATA和LE控制數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)LE高電平時,將已鎖入寄存器的32位數(shù)據(jù)在時鐘CLK的上升沿移到相應(yīng)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ADF4350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(xiàn)SPI控制模式,以CPHA=0設(shè)定MicroConverter。初始工作,驅(qū)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(shè)備上是通過寫四個8位字節(jié)來完成的。當(dāng)?shù)谒膫€字節(jié)被寫入時,LE輸入應(yīng)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(guān)閉輸入(CE)和鎖定檢測。當(dāng)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125kHz。表2C3、C2、C1的真值表控制位寄存器CCC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(yīng)用天地電路架構(gòu)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(shù)字編程,而且它支持整數(shù)N分頻與小數(shù)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(xiàn)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(yīng)用非常方便。在數(shù)字信號處理器中,ADF4350與ADSP221xx的連接實現(xiàn)了整塊串行數(shù)據(jù)的傳送,應(yīng)用前景非常廣泛。圖6ADF4350和ADuC812接口連接參考文獻1GILMORER,BESSERL.現(xiàn)代無線系統(tǒng)射頻電路實用設(shè)計M.楊芳,翁木云譯,北京:電子工業(yè)出版社,2006.2李智群,王志功.射頻集成電路與系統(tǒng)M.北京:科學(xué)出版社,2008.3ROHDEUL,NEWKIRKDP.無線應(yīng)用射頻微波電路設(shè)計M.劉光祜,張玉興,譯,北京:電子工業(yè)出版社,2004