基于锁相环的L波段频率源设计与实现

摘要：介绍了一种L波段的频率合成源的设计与实现方法，采用电荷泵锁相环来实现。该法设计的频率源具有低相位噪声、低杂散和高频率稳定度等特点。经过测量所做实物表明：相位噪声为-80.4dBc/Hz@1kHz;杂散抑制优于-55dBc;输出功率大于6dBm。满足项目的指标要求。并且，电路结构简单，体积小巧，性能优良，能够用于实际电路中为某接收机提供本振，证明该方案可行。

频率源为电子系统提供参考频率和时钟基准，是电子系统的心脏，它对整个系统的性能指标起决定性作用。微波频率源在通信，雷达，导航，测量等方面有极其重要的应用。其相位噪声和杂散抑制的性能直接影响整个系统的性能。因此，低相位噪声、高频谱纯度和高稳定度的频率源将是主要的发展趋势，采用锁相环实现的频率源就满足该要求。随着芯片集成度的提高，鉴频/鉴相器、电荷泵、分频器能够集成在一块芯片上，还有的甚至集成了压控振荡器，设计者只需设计环路滤波器就可以实现基于锁相环的频率源。这大大简化了设计过程和电路结构。

电荷泵锁相环基本原理

电荷泵锁相环(CPPLL)是由鉴频/鉴相器(PFD)、电荷泵(CP)、环路滤波器(LF)以及压控振荡器(VCO)等模块构成的，其结构框图如图1所示。　　

 

锁相环是一个反馈系统，它通过鉴相器比较输入信号和反馈信号的相位差，得到一个与相位差大体成线性关系的误差电流。该误差电流经过环路滤波器的积分作用之后得到一个误差电压来控制压控振荡器输出所需的频率，从而使锁相环锁定。电荷泵是由驱动一个电容的两个开关电流源构成。电荷泵锁相环有两个突出的优点：(1)捕获范围仅仅由压控振荡器的输出频率决定;(2)如果忽略失配与偏差，静态相位误差为零。

锁相环主要技术指标

相位噪声

锁相环是处理相位信号的电路，所以很容易受到相位噪声(在时域，与之对应的是时钟抖动)的影响。相位噪声的主要来源有参考晶振、分频器、鉴频/鉴相器、压控振荡器[3]。带内的相位噪声主要由参考晶振、分频器、鉴频/鉴相器决定;带外的相位噪声主要由压控振荡器决定。即是说，锁相环对参考晶振、分频器、鉴频/鉴相器的噪声呈现低通特性;对压控振荡器的噪声呈现高通特性。可以通过增大鉴相频率、减小环路带宽等措施来减小相位噪声。相位噪声可以通过公式(1)来估算。
         

其中PN_1Hz为1Hz归一化噪声基底，F_PFD为鉴相频率。

杂散

杂散是由器件的非线性以及微波的辐射等因素造成的。锁相环中最主要的杂散是参考杂散，它是由电荷泵的源电流与汇电流失配、电荷泵漏电以及电源退耦不够等因素造成的。当鉴相频率比较低时，电荷泵漏电引起的杂散占主导地位;当鉴相频率比较高时，电荷泵的源电流与汇电流失配引起的杂散占主导地位。一般的，鉴相频率高低的交界大约为100kHz～200kHz。可以采用下列措施来提高对杂散抑制：(1)尽量避免或少用混频器，(2)在混频器处加金属隔离，(3)良好的接地。