射頻鎖相頻率合成器的設計與仿真

摘要：頻率合成器可以提供大量精確、穩定的頻率作為無線通信設備的本振信號。簡要介紹了鎖相環頻率合成器的基本原理，并利用整數N鎖相芯片ADF4112設計了一個寬波段的頻率合成器。討論了其中主要元器件的選擇和環路濾波器的設計，利用先進設計系統(Advanced Design System，ADS)仿真軟件對設計方案進行頻城和瞬態響應仿真，并使用其中的優化工具對各個參數進行優化。仿真與優化結果驗證了頻率合成器的可行性，同時可以得到優化后環路濾波器的參數。
關鍵詞：射頻；頻率合成器；環路濾波器；ADS仿真

在現代通信系統中，對頻率源的頻率穩定度和準確度的要求越來越高，只采用晶振是不能滿足需要的。而頻率合成技術則是利用一個或多個高穩定度的晶體振蕩器產生一系列等間隔的、離散的、高穩定度的頻率，可為通信設備提供大量精確且能迅速轉換的載波信號和本振信號，完全滿足現代通信的需要。其中鎖相頻率合成器具有工作頻帶寬、工作頻率高、頻譜質量好、方案簡單、造價低等優點，在目前現有的頻率合成方法中應用最為廣泛。

1 鎖相環頻率合成器的基本原理
一個典型的頻率合成器主要由鑒相器(PD)、環路濾波器(LF)、壓控振蕩器(VCO)和可編程分頻器組成。其系統框圖如圖1所示。

基本工作原理是由晶體振蕩器提供參考輸入信號，經分頻后得到鑒相頻率fi與來自VCO的輸出信號fo經N分頻后得到的反饋信號進行鑒相，所產生的相位誤差信號，經電荷泵作用后轉換為與相位誤差成比例的正／負電流脈沖串，然后利用環路濾波器對來自電荷泵的電流脈沖求積分，向VCO調諧端口提供干凈的電壓，從而實現對VCO的頻率控制。當環路鎖定時，輸出頻率與鑒相頻率的關系如下：

N分頻器的分頻比不同時，輸出頻率fo也隨之變化。所以，只需要選擇合適的晶體振蕩器和選擇合適的N值就能產生所需要的頻率信號。

2 鎖相頻率合成器方案的設計
設計的頻率合成器的技術指標為輸出頻率1580～2500MHz，頻率間隔200kHz，輸出雜散優于-65dBc，輸出相噪優于-80dBe／Hz@1 kHz。根據技術指標來選擇合適的芯片，其中鎖相環器件選用ADI公司的ADF4112芯片，該芯片集成了鑒相器和可編程分頻器，最大工作頻率為3GHz，相位噪聲基底可達-215 dBc／Hz。VCO采用Crystek公司的CVC055BE-1530-2700，其頻率范圍為1530～2700MHz，靈敏度為140MHz／V，輸出功率65dBm，相位噪聲-87dBc／Hz@10kHz。
環路濾波器的設計是頻率合成器設計的最重要的一個部分，它的性能好壞直接關系到鎖相輸出的相位噪聲和雜散指標。由于本系統輸出頻帶范圍比較大，VCO所需的控制電壓最高達到7．5V，高于所選鎖相環芯片中電荷泵所能提供的最高供電電壓，所以使用無源環路濾波器不足以達到控制VCO所需的調諧電壓值，必須使用具有放大功能的有源濾波器。為了抑制有源器件產生的噪聲，一般使用三階以上的有源環路濾波器，電路如圖2中所示。這種結構采用同相放大器，不需要專用偏置，比較直觀、簡便。電阻R3和R4用來控制電路的增益，增益大小A表示為：

而且，電阻R4和R3的取值必須足夠大，以保證其消耗的電流不超出范圍。C3和R2有邊帶濾波作用，C1、C2和R1則用來調整環路帶寬、阻尼系數、相位噪聲等參數。

其中運算放大器采用ADI公司的AD820，該運算放大器具有可單電源供電、軌到軌、低噪聲等特點，滿足本設計的要求。系統整體電路圖如圖2所示。