驅動高壓鎖相迴路頻率合成器電路的VCO

作者:ADI 現場應用工程師Thomas Brand


鎖相迴路(PLL)電路是由壓控振盪器(VCO)和鑒相器組成的回饋系統,振盪器訊號追蹤施加的頻率或相位調變訊號是否具有正確的頻率和相位。需要從固定低頻率訊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、電訊和測量技術實現濾波、調變和解調,以及實現頻率合成。

圖1所示為基於PLL的頻率合成器框圖。VCO生成輸出訊號。透過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盪器提供。在鎖相迴路電路的回饋路徑部分,在鑒相器前透過分頻器提供可調的VCO分頻比。

Block diagram of a phase-locked loop

圖1.鎖相迴路框圖。

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電路可以算是一種VCO回饋控制系統。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。要產生範圍更廣泛的頻率,可以使用具備更廣泛調諧範圍的VCO。圖2顯示了支援千兆赫範圍VCO的簡單電路示例。

Simplified circuit of a high voltage charge pump supply for the ADF4150HV

圖2.用於ADF4150HV的高壓電荷泵電源簡化電路。

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。

Control voltage vs. frequency of the DCYS100200-12

圖3.DCYS100200-12的控制電壓與頻率關係曲線。1

要產生高控制電壓可以有幾種可行方案。其一是使用主動迴路濾波器,該濾波器基本是由高速放大器和低通濾波器構成,可以將來自鑒相器(CPOUT)的輸出脈衝轉化為乾淨的直流電壓。或者,可以使用具備整合電荷泵的PLL頻率合成器,例如ADI的ADF4150HV,該元件不需要額外的主動迴路濾波器。雖然這兩種解決方案都需要高壓電源,但是使用ADF4150HV可以減少所需的元件數量。也可以避免主動濾波放大器導致的失真和相位雜訊。此外,ADF4150HV允許實現小數N或整數N鎖相迴路頻率合成器。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。

ADF4150HV的整合電荷泵所需的高電壓可以使用直流-直流升壓轉換器ADP1613 來產生,且不降低PLL性能。 ADP1613是一款整合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元件實現更高的輸出電壓,尤其是透過外部功率電晶體實現。ADP1613的切換開關頻率可在650 kHz至1.3 MHz範圍內調節。如此可以實現更卓越的瞬態回應和簡單的雜訊過濾。一般而言,推薦選擇高於1 MHz的開關頻率,以便透過PLL迴路濾波器降低開關雜訊。

採用ADF4150HV的鎖相迴路頻率合成器電路透過使用整合的RF分頻器,提供超寬頻PLL功能。工作頻率範圍為62.5 MHz至2 Ghz。透過採用相同的PLL硬體設計,可以為系統中的多個不同的硬體平台產生不同的頻率。但是,如果要求一項設計適用於不同的VCO類型,則需要在設計中整合相應的迴路濾波器。如此才能確保鎖相迴路可靠運行。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。

目前也可提供適用於更大頻率範圍(即適用於PLL、濾波器和VCO)的一體化整合式解決方案,但是,由於不同元件之間的距離過近,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頻率合成器類比工具ADIsimPLL也可以為HF功能模組開發和HF訊號鏈元件建模提供有效的協助。透過該工具之運用,使設計人員能更容易類比所有會影響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壓控振盪器表面黏著型號:DCYS100200-12。”Synergy Microwave Corporation,2014年10月。

2電路筆記CN-0228:單電源為28 V、高壓鎖相迴路(PLL)頻率合成器供電。” ADI公司,2014年6月。