双环路集成锁相频率合成器MBl5U36原理

1 引言

随着无线电技术的迅猛发展，雷达、导航、宇宙飞行、导弹及空间探索工作都需要高稳定度、高精度的频率源。锁相振荡源具有频率稳定度高、相位噪声低、易于集成等突出优点，因而成为通信、雷达、武器制导和电子测量仪器等系统的核心部件。在射频及微波系统中，采用串行码数据输入的数字式电荷泵频率合成器，外接压控振荡器(VCO)和环路滤波器，即可组成锁相(PLL)频率源。它具有电路设计简单、功耗低、可灵活编程控制分频比来调整锁相环路的工作频率等优点，在3GHz以下均可方便地直接构成PLL振荡源。目前，具有代表性的产品是美国国家半导体公司的LMX23XX系列、菲利普公司的UMAl0系列和SA小数分频系列、富士通公司的MBl5系列频率合成器。

本文介绍的富士通公司生产的MBl5U36是一种高性能的双环集成锁相环频率合成器，芯片内集成了锁相频率合成器的多种重要部件，使用时只需再合理搭配上一或二块集成电路和少量的外围电路，即可构成一个完整且可靠性很高的频率合成器，该电路的设计简单，应用灵活，且能减小系统体积。

2 MBl5U36的结构及性能

2．1MBl5U36的结构
MBl5U36为串行码数据输入的数字式电荷泵型频率合成器，图1示出其结构框图，两环路组成结构的形式相同，主要包括鉴相器、电荷泵、可编程数字分频器(主程序分频器、参考分频器)、前置分频器等部分。其主要特性如下：最高工作频率1．2GHz(RF2)、2．0GHz(BFl)；具有64／65或128／129可选的双模前置分频器；电源电压范围为3．0V～5．5V；电流消耗典型值为6mA；内含平衡式、低泄漏电荷泵；具有节能工作模式。在Vcc=3V时，电流消牦典型值为10μA；采用20引脚SSOP型封装。



2．2 MBl5U36的引脚功能

MBl5U36的引脚排列形式如图2所示，括号内的数字为引脚号。



OSGIN(8)和OSCOUT(9)是参考振荡器的输入端和输出端，外接温度补偿晶体振荡器或晶体时，通过交流耦合到输入端。
VCC1（1）是RF1-PLL(频率合成器1)电源电压输入端，电压范围为3V～5．5V，电源滤波的旁蹋器应尽可能靠近该脚，并直接连接到地。
V CC12(20)是RF2-PLL(频率合成器2)电源电压输入端，电压范围为3V～5．5V，电源滤波的旁路器应尽可能靠近该脚，并直接连接到地。
VPl(2)是RF1-PLL电荷泵的工作电压输入端。
VP2(19)是RF2-PLL电荷泵的工作电压输入端。
DO1(3)是RF1-PLL内部电荷泵输出端，可通路滤波器来控制外部VCO。
DO2(18)是RF2-PLL内部电荷泵输出端，可环路滤波器来控制外部VCO。
Fin1 (5)是RF1-PLL的前置分频器输入端，号输入，通过交流耦合形式连接VCO。
Fin2(16)是RF2-PLL的前置分频器输入端，号输入，通过交流耦合形式连接VCO。
Xfin1 (6)是RF1-PLL前置分频器补充输入端接旁路电容器应尽可能靠近该脚，并直接连接到地。
Xfin2(15)是RF2-PLL前置分频器补充输人竭接旁路电容器应尽可能靠近该脚，并直接连接到地。
GNDl(4，7)是RF1-PLL接地端。
GND2(14，17)是RF2-PLL接地端。
LD／fOUT(10)是锁定检测输出或相位比较监测输出端，输出方式可通过串行格式编程数据流的LDS和FDS位进行选择。
Clock(11)是22位移位寄存器时钟输入端，数据在时钟的上升沿进入各个寄存器。
Data(12)是串行数据输入端，根据串行格式编程数据流中控制位的设置，数据被传输到相应的锁存器。
LE(13)是使能输入端，当LE端变为高电平时，根据串行格式编程数据流中控制位的设置，移位寄存器中的数据将传送到相应的闭锁。

图3示出Clock、Data和LE端的控制信号时序。



3 典型应用

我们采用串行码数据输入的数字式微波频率合成器设计的PLL振荡源，可作为某通信系统干扰机的本振源。以MBl5U36为核心，选择适当的外部VCO，设计相应的环路滤波器，设计构成的低噪声、高稳定度的频率合成器组成框图如图4所示。两个环路锁定在同一个温补参考晶振(TCXO)频率上，各环路分别接各自的VCO及三阶环路滤波器。各环路的分频比、参考分频比率等数据(Data)在基带部分的CPU上设定后，与时钟信号(Clock)、使能信号(LE)，按串行格式通过BUS总线一同送入。选用的晶振参考频率为10MHz，环路1输出频率范围为1 720MHz～1 850MHz，频率间隔为200kHz，参考分频比为50，环路总分频比8 600～9 250。环路2输出频率范围为740MHz～960MHz，频率间隔为20kHz，参考分频比为500，环路总分频比37 000～48 000。双模前置分频器工作于64／65模式，MBl5U36内部电荷泵输出误差经环路滤波器后驱动压控振荡器，从而形成锁相环路。



4 环路滤波器设计

频率合成器应保证很低的相位噪声，必须根据指标要求选择高性能的频率合成器、低噪声的VCO及设计滤波特性良好的环路滤波器。环路滤波器的作用是抑制鉴相器输出电压中的载频分量和高频噪声，降低由VCO控制电压的不纯而引起的寄生输出。对电荷泵型的频率合成器，MBl5U36推荐使用二阶或高阶无源低通滤波器，图5为三阶低通环路滤波器。我们采用开环增益带宽和相位裕度法推导出滤波器元件计算公式，当环路带宽ωp，VCO的电调灵敏度Kr、主分频比N、鉴相灵敏度Kp及对鉴相频率所需增加的额外衰减A确定以后，可编制出计算三阶环路滤波器的程序，只需输入已知参数，即可得到元件的标称值。其中，N值变化较大，可按N=√N1N2取值，N1从分别为最小和最大环路分频比(例如本文环路2设计中对N的取值采用N= √N1N2=2 261)。利用此程序计算出环路滤波器的元件值，实验证明计算结果可靠，设计的环路滤波器元件值在图中标出。