基于V600ME14-LF的锁相环设计

锁相环路是一个能够跟踪输入信号相位的闭环控制系统， 它在很多领域都有广泛的应用； 比如调制解调、频率合成、精密仪器测量、FM立体声解码等。锁相环的应用如此广泛是由其独特的优良特性决定的。它具有载波跟踪特性， 作为一个窄带滤波器， 它可提取淹没在噪声中的信号， 并用高稳定的参考振荡器锁定， 也可提供一系列高稳定的频率源， 以进行高精度的频率和相位测量等； 本设计正是给出了锁相环在频率源中的应用和设计方法。

1 锁相环路设计方案

图1所示是根据锁相环的基本原理以及具体需要设计的方案框图， 其中， 参考频率REF由10MHz晶振产生， 考虑到VCO的频率输出在2~3GHz， 而鉴相器的输入频率范围有限， 所以采用先分频的方式通过分频器分频， 之后再送给DDS， 最后再经过DDS分频， 从而满足鉴相器输入频率范围的要求。VCO芯片V600ME14-LF的电压调谐范围为0~24V， 所以， 本方案中的环路滤波器采用有源滤波器， 并将鉴相器的输出经过放大后送到VCO， 从而使电压的调谐范围可以满足输出频率的要求。

图1 锁相环设计方案框图

本设计方案将DDS作为可编程的分频器， 其分频系数可在1/2~1/2n之间变化， 从而实现频率很高的小数分频。DDS作为分频器， 其频率不能太高， 所以， 在其前面应加入分频器， 分频器可设置为4、8、16、32分频， 该分频器采用32分频， 并通过控制DDS分频系数来使VCO的变化范围达到要求的2~3GHz。

环路滤波采用有源滤波器的设计方式， 有源滤波器不仅可滤除干扰信号，同时也有放大的作用， 可以弥补鉴相器输出信号较小的缺点，从而达到VCO输入电压的要求。

2 V600ME14-LF介绍

2.1 特性说明

V600ME14-LF是Z-COMM公司推出的一款S波段且符合RoHS的VCO， 该芯片的工作频率范围是2000MHz ～4000MHz， 调谐电压范围为0 ～24V， 同时， 该VCO具有以下特征：

◇ 10kHz时的相位噪声为-89dbc/hz；

◇ 谐波抑制(2nd)： 典型值为-15dbc， 最大值为-10dbc；

◇ 输出功率典型值为： 2～11dbm；

◇ 驱动能力： 10MHz/V；

◇ 调谐灵敏度(avg.)： 110MHz/V；

◇ 工作温度范围： -40-85℃；

◇ 电源电压： 5V；

◇ 电源电流(Icc)： 典型值为44mA。

图2所示是相位噪声和频偏的关系的示意图，图中的单位分别是dbc/Hz和Hz。

图2 相位噪声与频偏的关系曲线图

2.2 引脚介绍

V600ME14-LF芯片采用的是MINI-16-LOW封装， 图3所示是其引脚示意图， 各引脚的功能如下：

图3 V600ME14-LF的引脚示意图

P1： 调谐电压输入端， 通过环路滤波之后，可将调谐电压输入到谐振回路， 从而提供可调节的电压；P2： 射频输出端；P3： 电源电压输入端， 用于输入VCO所需要的电源电压；REST： 接地端， 除了以上三个在图中标明的引脚外， 剩余的引脚都是地端。

2.3 外围电路

V600ME14-LF芯片的输出驻波比小于1.67:1(RL=12.0db)。为了防止由于负载芯片(比如混频器等) 而引起阻抗不匹配， 设计时应在P2端添加某种形式的隔离， 图4所示的电路中使用了一个10db的PAD和一个缓冲放大器来满足上面的要求。而如果隔离不满足要求， 则会带来三个方面的问题：

图4 外部电路连接图

其一是功率输出的波动； 二是会降低相位噪声性能； 三是负载会依赖频率而变化。

图4电路中的旁路电容和耦合电容是和频率相关联的， 图中的10db的PAD和射频输出端的距离要尽量的近， 布局布线也必须严格的符合射频设计的规范要求。比如50Ω的微带线是必须要有的， 细心的选择元器件也是必不可少的。

3 应用注意事项

该VCO是贴片封装， VCO的地必须直接连接到PCB板上所覆铜的地层，所覆的铜必须覆盖整个VCO的下面。

使用时位于板子周长上的16个半洞的内径主要用来为VCO和母版提供一个连接的表面， 器件外围的屏蔽罩是镀锡的CRS或者合金， 在电源输入端加入旁路电容或者一个射集跟随器可抑制电源噪声， 而在器件下面放置一些过孔可减小不想要的地面电抗， 事实上， 根据输出频率的不同在设计时增加一些额外的过孔是很有必要的。

4 结束语

V600ME14-LF是一款性能不错的VCO， 可广泛应用在测试仪器设备、CATV前端设备、卫星通信系统等。但在应用的过程中， 需要按照器件相关资料上的要求来布局布线， 这样可以达到比较好的效果。