鎖相環(PLL)電路是由壓控振蕩器(VCO)和鑑相器組成的反饋系統,振蕩器信號跟蹤施加的頻率或相位調製信號是否具有正確的頻率和相位。需要從固定低頻率信號生成穩定的高輸出頻率時,或者需要頻率快速變化時,都可以使用PLL。典型應用包括採用高頻率、電信和測量技術實現濾波、調製和解調,以及實現頻率合成。
圖1．鎖相環框圖
圖1所示為基於PLL的頻率合成器框圖。VCO生成輸出信號。通過PLL將其保持在設定頻率,並鎖定到基準頻率。基準頻率通常由非常精準的石英振蕩器提供。在鎖相環電路的反饋路徑部分,在鑑相器前通過分頻器提供可調的VCO分頻比。
VCO包含可調的調諧元件,例如電容隨輸入電壓改變的變容二極體。因此,PLL電路可以算一種VCO反饋控制系統。VCO所需的輸入或控制電壓通常高於提供給PLL電路的電源電壓。電源電壓一般為3．3 V或5 V,而VCO根據頻率需求可能需要高於20 V的電壓。要生成範圍更廣泛的頻率,可以使用具備更廣泛調諧範圍的VCO。圖2顯示了支持千兆赫範圍VCO的簡單電路示例。
VCO可以使用Synergy Microwave Corporation的DCYS100200-12。該產品在28 V (VTUNE)時產生2 GHz頻率,如圖3所示。
生成高控制電壓,有幾種可行方案。其一是使用有源環路濾波器,該濾波器基本是由高速放大器和低通濾波器構成,可以將來自鑑相器(CPOUT)的輸出脈衝轉化為乾淨的直流電壓。或者,可以使用帶集成電荷泵的PLL頻率合成器,例如ADI的ADF4150HV,該器件不需要額外的有源環路濾波器。雖然這兩種解決方案都需要高壓電源,但是使用ADF4150HV可以減少所需的組件數量。也可以避免有源濾波放大器導致的失真和相位噪聲。此外,ADF4150HV允許實現小數N或整數N鎖相環頻率合成器。最終VCO的頻率可以進行1、2、4、8或16分頻,使得輸出頻率最低可達到31．25 MHz。
圖2．用於ADF4150HV的高壓電荷泵電源簡化電路
圖3．DCYS100200-12的控制電壓與頻率關係曲線1
ADF4150HV的集成電荷泵所需的高電壓可以使用直流-直流升壓轉換器ADP1613 生成,且不降低PLL性能。 ADP1613是一款集成功率電晶體的高效開關穩壓器,可以輕鬆實現最高20 V的輸出電壓。也可以使用額外的外部組件實現更高的輸出電壓,尤其是通過外部功率電晶體實現。ADP1613的開關頻率可在650 kHz至1．3 MHz範圍內調節。這樣可以實現更出色的瞬態響應和簡單的噪聲過濾。一般而言,推薦選擇高於1 MHz的開關頻率,以便通過PLL環路濾波器降低開關噪聲。
採用ADF4150HV的鎖相環頻率合成器電路通過使用集成的RF分頻器,提供超寬帶PLL功能。工作頻率範圍為62．5 MHz至2 Ghz。通過採用相同的PLL硬體設計,可以為系統中的多個不同的硬體平臺生成不同的頻率。但是,如果要求一項設計適用於不同的VCO類型,則需要在設計中集成相應的環路濾波器。這樣才能確保鎖相環可靠運行。為了實現相對較寬的輸出頻率調節範圍,以及相關的更高輸出功率,ADF4150HV的每個RF輸出也需要採用小型濾波器。將27 nH電感和50 Ω電阻並聯,可以有效調節高達3 GHz的頻率。該電阻提供定義上的輸出阻抗。較低的電感將導致頻段擴展到較低的範圍。
如今,也可提供適用於更大頻率範圍(即適用於PLL、濾波器和VCO)的一體化集成解決方案,但是,由於不同組件之間的距離過近,可能導致無用耦合。分立式設計和由此實現的物理分隔可以充分降低這種風險。
PLL頻率合成器模擬工具ADIsimPLL™也可以為HF功能模塊開發和HF信號鏈器件建模提供有效幫助。通過使用該工具,設計人員更容易模擬所有會影響PLL性能的重要非線性效應;例如,頻率合成過程中出現的無用雜散(雜散頻率)。
參考文獻
1 「壓控振蕩器表面貼裝型號:DCYS100200-12」。Synergy Microwave Corporation,2014年10月。
2 「電路筆記CN-0228:單電源為28 V、高壓鎖相環(PLL)頻率合成器供電。」ADI公司,2014年6月。