構(gòu)成PLL頻率合成器的構(gòu)建模塊研究

作者：Mike Curtin and Paul O'Brien

本系列的第一部分介紹了鎖相環(huán)（PLL），描述了基本架構(gòu)和工作原理。它還包括一個(gè)在通信系統(tǒng)中使用PLL的示例。在本系列的第二部分中，詳細(xì)研究了相位噪聲、基準(zhǔn)雜散和輸出泄漏等關(guān)鍵性能規(guī)格，并考慮了它們對(duì)系統(tǒng)性能的影響。在本系列的最后一部分中，我們將處理構(gòu)成PLL頻率合成器的一些主要構(gòu)建塊。我們還將比較整數(shù) N 和小數(shù) N 分?jǐn)?shù)架構(gòu)。該系列文章最后將總結(jié)目前市場(chǎng)上可用的VCO，并列出ADI公司頻率合成器系列。

鎖相環(huán)頻率合成器基本構(gòu)建模塊

PLL頻率合成器可以從幾個(gè)基本構(gòu)建模塊的角度來考慮。已經(jīng)涉及，現(xiàn)在將更詳細(xì)地處理它們：

鑒頻鑒相器 參考

計(jì)數(shù)器 （R） 反饋計(jì)數(shù)器 （N）

鑒頻鑒相器

頻率合成器的核心是鑒相器或鑒頻鑒相器。在這里，將參考頻率信號(hào)與VCO輸出反饋的信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生的誤差信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)環(huán)路濾波器和VCO。在數(shù)字PLL（DPLL）中，鑒相器或鑒頻檢波器是一個(gè)邏輯元件。三種最常見的實(shí)現(xiàn)是：

專用或（EXOR）柵極

J-K觸發(fā)器數(shù)字

鑒頻鑒波器

這里，我們僅考慮PFD，即ADF4110和ADF4210頻率合成器系列中使用的元件，因?yàn)榕cEXOR門和J-K觸發(fā)器不同，當(dāng)其處于解鎖狀態(tài)時(shí)，其輸出與兩個(gè)輸入之間的頻率差成正比。

圖1顯示了PFD的一種實(shí)現(xiàn)，基本上由兩個(gè)D型觸發(fā)器組成。一個(gè) Q 輸出使能一個(gè)正電流源;另一個(gè)Q輸出使能負(fù)電流源。假設(shè)在此設(shè)計(jì)中，D型觸發(fā)器是正邊沿觸發(fā)的，則狀態(tài)如下：

11 – 兩個(gè)輸出均為高電平，由 AND 門 （U3） 禁用，返回觸發(fā)器上的 CLR 引腳。

00 – P1和N1均關(guān)斷，輸出OUT基本上處于高阻抗?fàn)顟B(tài)。

10–P1 打開，N1 關(guān)閉，輸出為 V+。

01–P1 關(guān)閉，N1 打開，輸出為 V–。

圖1.典型的PFD，使用D型觸發(fā)器。

現(xiàn)在考慮一下如果系統(tǒng)失鎖且+IN處的頻率遠(yuǎn)高于-IN處的頻率，電路的行為，如圖2所示。

圖2.PFD 波形，頻率和相位鎖定。

由于+IN處的頻率遠(yuǎn)高于–IN處的頻率，因此輸出大部分時(shí)間都處于高電平狀態(tài)。+IN上的第一個(gè)上升沿將輸出發(fā)送為高電平，并一直保持到–IN上出現(xiàn)第一個(gè)上升沿。在實(shí)際系統(tǒng)中，這意味著輸出以及VCO的輸入被驅(qū)動(dòng)得更高，導(dǎo)致–IN的頻率增加。這正是所期望的。

如果 +IN 上的頻率遠(yuǎn)低于 –IN，則會(huì)發(fā)生相反的效果。OUT 的輸出大部分時(shí)間都處于低狀態(tài)。這將具有在負(fù)方向上驅(qū)動(dòng)VCO的效果，并再次使–IN處的頻率更接近+IN處的頻率，以接近鎖定條件。圖3顯示了輸入鎖定頻率并接近鎖相時(shí)的波形。

圖3.PFD波形，處于頻率鎖定狀態(tài)，但處于缺相鎖定狀態(tài)。

由于+IN是前導(dǎo)–IN，輸出是一系列正電流脈沖。這些脈沖將傾向于驅(qū)動(dòng)VCO，使–IN信號(hào)與+IN上的信號(hào)相位對(duì)齊。

發(fā)生這種情況時(shí)，如果U3與U1和U2的CLR輸入之間沒有延遲元件，則輸出可能處于高阻抗模式，既不產(chǎn)生正電流脈沖，也不產(chǎn)生負(fù)電流脈沖。這不是一個(gè)好情況。VCO將漂移，直到產(chǎn)生明顯的相位誤差，并再次開始產(chǎn)生正或負(fù)電流脈沖。在相對(duì)較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，這種循環(huán)的影響是電荷泵的輸出被PFD輸入?yún)⒖碱l率的次諧波信號(hào)調(diào)制。由于這可能是低頻信號(hào)，因此環(huán)路濾波器不會(huì)衰減它，并且會(huì)在VCO輸出頻譜中產(chǎn)生非常明顯的雜散，這種現(xiàn)象稱為反沖效應(yīng)。U3 輸出與 U1 和 U2 的 CLR 輸入之間的延遲元素可確保不會(huì)發(fā)生這種情況。使用延遲元件時(shí)，即使+IN和–IN完全相位對(duì)齊，電荷泵輸出端仍會(huì)產(chǎn)生電流脈沖。該延遲的持續(xù)時(shí)間等于在U3輸出端插入的延遲，稱為反沖脈沖寬度。

參考計(jì)數(shù)器

在經(jīng)典的整數(shù)N分頻頻率合成器中，輸出頻率的分辨率由施加到鑒相器的參考頻率決定。因此，例如，如果需要 200 kHz 間隔（如 GSM 電話），則參考頻率必須為 200 kHz。然而，獲得穩(wěn)定的 200kHz 頻率源并不容易。一個(gè)明智的方法是采用一個(gè)好的基于晶體的高頻源并將其劃分。例如，所需的頻率間隔可以通過從10 MHz頻率參考開始，然后將其除以50來實(shí)現(xiàn)。此方法如圖 4 中的圖表所示。

圖4.在PLL頻率合成器中使用基準(zhǔn)計(jì)數(shù)器。

反饋計(jì)數(shù)器，N

N 計(jì)數(shù)器，也稱為 N 分頻器，是設(shè)置PLL中輸入和輸出頻率之間關(guān)系的可編程元件。多年來，N 計(jì)數(shù)器的復(fù)雜性一直在增長(zhǎng)。除了一個(gè)簡(jiǎn)單的N計(jì)數(shù)器外，它還發(fā)展到包括一個(gè)預(yù)分頻器，它可以具有雙模數(shù)。

當(dāng)需要非常高的頻率輸出時(shí)，這種結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)展成為使用基本N分頻結(jié)構(gòu)反饋到鑒相器所固有問題的解決方案。例如，假設(shè) 10 kHz 間隔需要 900 MHz 輸出?？梢允褂?10MHz 參考頻率，R 分頻器設(shè)置為 1000。然后，反饋中的 N 值需要為 90，000 量級(jí)。這意味著至少有一個(gè)17位計(jì)數(shù)器能夠處理900 MHz的輸入頻率。

為了處理此范圍，在可編程計(jì)數(shù)器之前加上一個(gè)固定的計(jì)數(shù)器元件是有意義的，以便將非常高的輸入頻率降低到標(biāo)準(zhǔn)CMOS的工作范圍。該計(jì)數(shù)器稱為預(yù)分頻器，如圖 5 所示。

圖5.基本預(yù)分頻器。

但是，使用標(biāo)準(zhǔn)預(yù)分頻器會(huì)帶來其他并發(fā)癥。系統(tǒng)分辨率現(xiàn)在已降低（F1×頁(yè)）。這個(gè)問題可以通過使用雙模預(yù)分頻器來解決（圖 6）。它具有標(biāo)準(zhǔn)預(yù)分頻器的優(yōu)點(diǎn)，但不會(huì)損失任何系統(tǒng)分辨率。雙模預(yù)分頻器是一種計(jì)數(shù)器，其分頻比可以通過外部控制信號(hào)從一個(gè)值切換到另一個(gè)值。通過使用帶有A和B計(jì)數(shù)器的雙模預(yù)分頻器，仍然可以保持F的輸出分辨率1.但是，必須滿足以下條件：

圖6.雙模預(yù)分頻器

如果計(jì)數(shù)器未超時(shí)，則兩個(gè)計(jì)數(shù)器的輸出信號(hào)均為高電平。

當(dāng) B 計(jì)數(shù)器超時(shí)時(shí)，其輸出變?yōu)榈碗娖?，并立即將兩個(gè)計(jì)數(shù)器加載到其預(yù)設(shè)值。

加載到 B 計(jì)數(shù)器的值必須始終大于加載到 A 計(jì)數(shù)器的值。

假設(shè) B 計(jì)數(shù)器剛剛超時(shí)，并且兩個(gè)計(jì)數(shù)器都已重新加載值 A 和 B。讓我們找到再次達(dá)到相同狀態(tài)所需的VCO周期數(shù)。

只要 A 計(jì)數(shù)器沒有超時(shí)，預(yù)分頻器就會(huì)除以 P+1。因此，每次預(yù)分頻器計(jì)數(shù)（P+1）VCO周期時(shí)，A和B計(jì)數(shù)器都將倒計(jì)時(shí)1。這意味著 A 計(jì)數(shù)器將在 （（P+1） × A） VCO 周期后超時(shí)。此時(shí)，預(yù)分頻器切換到 P 分頻。也可以說此時(shí) B 計(jì)數(shù)器在超時(shí)之前仍有 （B-A） 周期要經(jīng)過。這樣做需要多長(zhǎng)時(shí)間：（（B-A）×P）。系統(tǒng)現(xiàn)在回到了我們開始時(shí)的初始狀態(tài)。

實(shí)現(xiàn)此目的所需的 VCO 周期總數(shù)為：

使用雙模預(yù)分頻器時(shí)，重要的是要考慮N的最低值和最高值。我們真正想要的是可以以離散整數(shù)步長(zhǎng)更改 N 的范圍?？紤]表達(dá)式 N = A + BP。若要確保 N 的連續(xù)整數(shù)間距，A 必須在 0 到 （P–1） 范圍內(nèi)。然后，每次 B 遞增時(shí)，都有足夠的分辨率來填充 BP 和 （B+1）P 之間的所有整數(shù)值。正如雙模預(yù)分頻器已經(jīng)指出的那樣，B 必須大于或等于 A，雙模預(yù)分頻器才能工作。由此我們可以說，在能夠以離散整數(shù)步長(zhǎng)遞增的同時(shí)，可能的最小除法比是：

N 的最大值由下式給出

在這種情況下一個(gè).max和B.max僅由 A 和 B 計(jì)數(shù)器的大小決定。

現(xiàn)在來看ADF4111的實(shí)際示例。
假設(shè)預(yù)分頻器被編程為 32/33。
計(jì)數(shù)器：6位意味著A可以是26- 1 = 63 B 計(jì)數(shù)器：13 位表示
B 可以是 213- 1 = 8191

ADF4110系列

前幾節(jié)中討論的構(gòu)建模塊均用于ADI公司新的N整數(shù)頻率合成器系列。ADF4110系列頻率合成器由單器件組成，ADF4210系列由雙通道版本組成。ADF4110的框圖如下所示。它包含上述參考計(jì)數(shù)器、雙模預(yù)分頻器、N 計(jì)數(shù)器和 PFD 模塊。

圖7.ADF4110系列框圖

小數(shù)N分頻合成器

許多新興的無線通信系統(tǒng)需要本振（LO）中更快的開關(guān)和更低的相位噪聲。小數(shù)N分頻合成是實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)目標(biāo)的一種手段。

該技術(shù)最初是在 1970 年代初開發(fā)的。這項(xiàng)早期工作主要由惠普和拉卡爾完成。該技術(shù)最初被稱為“digiphase”，但后來被普遍命名為分?jǐn)?shù)N。

在標(biāo)準(zhǔn)頻率合成器中，RF信號(hào)只能被整數(shù)除以。這就需要使用相對(duì)較低的參考頻率（由系統(tǒng)通道間距決定），并導(dǎo)致反饋中的N值很高。這兩個(gè)事實(shí)對(duì)系統(tǒng)建立時(shí)間和系統(tǒng)相位噪聲都有重大影響。低參考頻率意味著較長(zhǎng)的建立時(shí)間，而高N值意味著較大的相位噪聲。

如果反饋中可以發(fā)生分?jǐn)?shù)除法，則可以使用更高的參考頻率并仍然實(shí)現(xiàn)通道間距。這個(gè)較低的分?jǐn)?shù)也意味著較低的相位噪聲。

如果事實(shí)如此，可以通過交替除以兩個(gè)整數(shù)來實(shí)現(xiàn)在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)除以分?jǐn)?shù)（除以 2.5 可以通過連續(xù)除以 2 和 3 來實(shí)現(xiàn)）。

那么，如何除以 X 或 （X + 1）（假設(shè)小數(shù)在這兩個(gè)值之間）？好吧，可以允許數(shù)字的小數(shù)部分以參考頻率速率累積。

圖8.小數(shù)N分頻合成器。

圖9的示意圖顯示了圖8中描述的小數(shù)N分頻系統(tǒng)的時(shí)序。出于此示例的目的，我們假設(shè)分頻比為 4.6。

信號(hào) F外顯示 FREF 執(zhí)行 10 個(gè)周期期間的 46 個(gè)周期。在 FREF 生成其第一個(gè)周期期間，N 計(jì)數(shù)器需要除以 4.6。當(dāng)然，這是不可能的。它除以 4。因此，在第一個(gè)周期中，計(jì)數(shù)器輸出中“缺少”0.6個(gè)脈沖。這是使用累加器在系統(tǒng)中記憶的。累加器使用與F寄存器相同的代碼。在每個(gè)參考周期開始時(shí)，累加器將F寄存器內(nèi)容添加到其先前的累積值中。因此，從時(shí)間 0 開始，累加器將跟蹤“缺失”的脈沖分?jǐn)?shù)。

在第二個(gè)參考周期中，N 計(jì)數(shù)器將再次除以 4。累加器現(xiàn)在將在第一個(gè)參考周期累積的 0.6 的基礎(chǔ)上增加 0.6。這在累加器中給出了 1.2 的值，但由于它只能存儲(chǔ)小于 1 的值，因此將生成溢出并將 0.2 保留為累加器內(nèi)容。

溢流用于激活脈沖消除電路。因此，VCO產(chǎn)生的下一個(gè)脈沖從輸入端移開至N計(jì)數(shù)器。這種脈沖去除與除以 5 而不是 4 具有相同的效果。如圖所示，累加器在第 4、5、7、9 和 10 個(gè)周期再次溢出。因此，在一系列 10 個(gè)參考周期中，有 6 個(gè)溢出，產(chǎn)生總數(shù)為 （4 × 4） + （6 × 5） = 46。這正是我們想要的。

圖9.小數(shù) N 分頻時(shí)序。

VCO制造商摘要

隨著無線通信的爆炸式增長(zhǎng)，對(duì)合成器和VCO等產(chǎn)品的需求在過去五年中急劇增加。有趣的是，到目前為止，市場(chǎng)一直由兩組不同的制造商提供服務(wù)。下面列出了VCO領(lǐng)域的一些參與者。這個(gè)列表并不是包羅萬象的，而是讓讀者對(duì)一些主要參與者有所了解。

審核編輯：郭婷