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1、2009 年 4 月第 28卷第 4 期应用天地ADF4350 低相噪频率合成器在射频无线通信设备中的应用马国胜 1杨鹭怡 2(1.电子工程学院合肥230037;2.)摘要:,、功耗低的特点。ADF4350 频率合成器具有全集成、低相位噪声的优点,()(),可以工作在极宽的连续频率范围内,广泛用于无线基础设备及测试设备,TV。本文简要介绍了 ADF4350 的主要功能,详细给出了基于ADF4350,221xx的接口连接的设计方案。关键词:;均方根抖动中图分类号:T513文献标识码:BApplicationofADF4350frequencysynthesizerwithlowphasenois
2、eintheRFwirelesscommunicationdeviceMaGuosheng1YangLuyi2(1.ElectronicEngineeringInstitute,Hefei230037,China;2.ArtilleryInstitute,Hefei230031,China)Abstract:InmodernRFandmicrowaveelectronicsystems,thefrequencysourcesarerequiredwithsomecharacteristicswhilehavehigh2frequencyandlowphasenoise,andhavegoodr
3、eliability,smallsize,lowpowerconsumption.TheADF4350hasadvantagesoffullyintegratedandlowphasenoise,thevoltagecontrolledoscillator(VCO)andphase2lockedloop(PLL)areintegratedinthechip,itcanworkinawidecontinuousfrequencyranging,anditiswidelyusedtowirelessinfrastructureandtestequipment,WirelessLANs,CATVeq
4、uipmentandclockgeneration.ThemainfunctionofADF4350isbrieflyintroducedinthispaper,andsomedesignsaboutdirectconversionmodulatorthatbasedonADF4350anditsinterfacewithADuC812,ADSP221xxaregiven.Keywords:lowphasenoiseVCO;phase2lockedloop;logiccompatibility;rmsjitter0引言频率源是现代射频和微波电子系统的心脏,其性能直接影响整个电子系统。随着无线电
5、技术的发展,人们提出了各种各样的频率源的设计方案。其中锁相式频率源具有输出频率高,频率稳定度高、频谱纯、寄生杂波小及相位噪声低等优点。但是在超宽带上实现频率连续可调一般需要使用多达 10个分立的 VCO/PLL,ADI公司的ADF4350 频率合成器为设计工程师提供了单芯片低相位噪声的解决方案122。4400MHz 范围内的连续调谐。片上 VCO在 2.1GHz 工1ADF4350 功能及特点ADF4350 是一款内置片上低噪声压控振荡器(VCO)的锁相环(PLL)。这款完整的频率合成器支持 137.5作频率、1MHz 偏移处的相位噪声为-137dBc/Hz,在 137.5MHz 工作频率、1
6、MHz偏移处的相位噪声为-155dBc/Hz,这相当于 2.1GHz 频率下的综合均方根(RMS)相位误差为 0.36,137.5MHz 频率下的综合均方根相位误差为 0.02。ADF4350 内置的压控振荡器(VCO)可以覆盖 22004400MHz的频率范围。另外,ADF4350 提供两个射频输出端口,使用户可对输出功率进行数字编程。与其他同类产品不同,ADF4350 支持整数 N分频与小数 N 分频工作模式,允许用户通过软件控制方法确定最佳杂散与相位噪声性能,从而实现最佳的性能。此外,片上 1/2/4/8 或 16 分频电路使用户能够生成低至 137.5MHz的射频输出频率328。作者简
7、介:马国胜,副教授,主要研究方向是信号处理及其应用技术。中国科技核心期刊65应用天地1.1ADF4350 的主要特性ADF4350 的主要特性如下:输出频率范围为 135MHz 到 4.35GHz;分数 N合成器和整数 N合成器;2009 年 4 月第 28 卷第 4 期ADF4350 是集成了电压控制振荡器(VCO)的宽带时钟合成器,如果和外部环路共同使用来滤除外部参考频率,可以确保分数 N和整数N锁相环(PLL)频率合成器的执行,其输出频率在 2.2GHz 到 4.4GHz之间。针对那些需要隔离的应用,RF输出级可以被屏蔽。屏蔽功能既可以通过引脚控制,ADF4350RF输出,所有寄存器的
8、3.03.6V,ADF4350 主(WCDMA、TD2SCDMA、WiMax、DECT)、测试设备、时钟生成、无线 LANs 及 CATV设备等。ADF4350 引脚说明如下:CLK(1):串行时钟输入端。高阻 CMOS 输入,数据在时钟上升沿锁存在 32位移位寄存器中。DATA(2):串行数据输入端。高阻 CMOS 输入,串行数据首先加载 MSB,第三位LSB 为控制位。LE(3):加载使能端。CMOS 输入,当 LE 高电平时数据存入移位寄存器。CE(4):芯片使能端。该引脚逻辑低电平关闭装置,使电荷泵处于三态模式;引脚逻辑高电平时,由电源关闭位的状态启动装置。SW(5):快锁开关。从环路
9、滤波器与该引脚相连即可使用快锁模式。VP(6):电荷泵电源。该引脚相当于 AVDD,去耦电容到地尽可能放置在靠近该引脚的位置。CPOUT(7):电荷泵输出端。启动时,提供ICP 给外部环路滤波器,连接环路滤波器至 VTUNE 以驱动内部 VCO。低相位噪音 VCO;可编程且可被分为 1/2/4/8路或 16路的输出;典型的均方根抖动值 0.5ps;3.0到 3.6V电源;1.8V逻辑兼容性;可编程双模 4/5 或 8/9预先分频;可编程输出功率电平;RF输出屏蔽功能;3 线串行接口;模拟和数字锁定检测;开关带宽快速锁定模式;减小周期滑移。1.2ADF4350 的功能框图及引脚说明ADF4350
10、 外引脚图如图 1 所示,所示。图 1ADF4350 外引脚图图 2ADF4350 功能方框图66中国科技核心期刊2009 年 4 月第 28卷第 4 期CPGND(8):电荷泵地。这是 CPOUT 地返回引脚。AGND(9):模拟地。这是 AVDD 地返回引脚。AVDD(10):模拟电源。电源范围 3.03.6V。去耦电容到地尽可能放置在靠近该引脚的位置,AVDD 必须和 DVDD 值相同。AGNDVCO(11,18,21):VCO 模拟地。RFOUTA+(12)、RFOUTA2(13):VCO输出和互补输出。输出是可编程的,可得到 VCO的基本输出或分频输出。RFOUTB+(14)、RFO
11、UTB2(15):VCO 互补输出。输出是可编程的,可得到 VCO分频输出。VVCO(16,17):06V。,VVCO 必须和 AVDDTEMP(19)VTUNE(20):控制 VCO的输入。该电压是由滤波 CPOUT 输出电压得到,它决定输出频率。RSET(22):在该端与地之间连接一个电阻设置电荷泵输出电流,在 RSET 端标称偏置电压为 0.55V,ICP 和 RSET的关系式为:ICP=25.5/RSET应用天地式中:fREF是输入参考频率,D 是 RFfREF 倍频因子,T是参考(除 0或 1),R 是射频参考分频因子。例如在 UMTS 系统中,要求 2112.6MHz 的 RF输出
12、频率(fOUT),在 10MHz 的参考频率输入(fREF)的情况下,在 RF 输出端要求 200kHz分辨率(fOUT)。注意,ADF4350的工作频率范围在 2.2GHz 到 4.4GHz,输出分频值取 2(VCO频fRES=4225.,fOUT=fRES/2=MHz/2)图 3闭环输出分频器在 RF分频器的输出端要求分辨率是 200kHz,因此在 VCO(fRES)输出端分辨率是fOUT 的两倍,即400kHz。M=fREF/fRESM=10MHz/400kHz=25由方程 2得到fPFD=10MHz(1+0)/1=10MHz这里:RSET=5.1k,ICP=5mA。VCOM(23):在
13、一半调谐范围,内部补偿其偏差。VREF(24):参考电压。LD(25):锁定检测输出端。该端输出一个逻辑高电平表明锁相环锁定,输出低电平即失锁。PDBRF(26):RF 电源关闭。该端逻辑低电平时屏蔽 RF输出,这一屏蔽功能可用软件控制。DGND(27):数字地。DVDD(28):数字电源。该端应与 AVDD 电压相同。REFIN(29):参考输入。这是一个以 VDD/2 为标称起点的 CMOS 输入,相当于 100k输入电阻的 DC。这个输入电压能够驱动一个 TTL 或 CMOS 晶体振荡器,也可以进行交流耦合。MUXOUT(30):复合输出。它允许锁定检测,配置 RF,或配置参考频率进入外
14、部链接部分。调节器地。SDGND(31):数字2调节器电源。应与 AVDD 值 SDVDD(32):数字2相同。(3)(4)2112.6MHz=10MHz(N+k/25)/2式中:N=422,k=13。模(M)的选择主要取决于参考输入和输出分辨率,例如,在一个 GSM系统中,参考输入为 13MHz,则模就要取 65,这就意味着 RF输出分辨率为 200kHz(13MHz/65),随着抖动,其分数间隔取决于模的选择(如表 1 所示)。表 1有抖动现象的脉冲间隔条件如果 M 是除 2,不是 3如果 M 是除 3,不是 2如果 M 是除 6其他重复长度 2M3M6MM脉冲间隔波道间隔/2 波道间隔/
15、3 波道间隔/6 波道间隔3ADF4350 的典型应用3.1在直接变换调制器中的应用2ADF4350 频率合成计算举例下面是一个 ADF4350 频率合成的一个例子:(1)fOUT=N+(k/M)fPFD/2式中:fOUT 是射频输出频率,N 是整数分频因子,k是小数分频因子,M 是模。(2)fPFD=fREF(1+D)/(R(1+T)直接变换架构越来越多的被用在基站发射机中,图 4所示即为 ADF4350 在直接变换调制器中的应用电路。图中显示 AD9761TxDAC和 ADL5375 结合使用,使用双集成 DAC,例如像 AD9788 具有独特的0.02dB 和0.001dB的增益和偏移匹
16、配的特点,在整个温度范围确保信号链这部分的最小误差。本地振荡器(LO)由 ADF4350 实现,低通滤波器使用 ADIsimPLLTM 方案实现200kHz波道间隔及 35kHz 闭环带宽。ADL5375 的 LO 部分可由 ADF4350 的互补 RFOUTA 和中国科技核心期刊67应用天地RFOUTB 输出的差动来驱动,这使得其性能优于单端的 LO 驱2009 年 4 月第 28卷第 4 期ADF4350,可通过软件编程以得到最佳的 LO 功率。RF输出是为了推动 50负载,如图 3所示。如果 I动器,并在 ADL5375 中省去使用变压器。在这个配置中,LO的典型均方根相位噪声(100H
17、z 至 5MHz)为 0.61。AD8349 的 LO 驱动值为-10dBm 到 0dBm,对于和 Q输入是由 2Vp2p 信号正交驱动,那么调制器输出功率大约为 2dBm。图 4ADF4350 直接变换调制器电路图3.2ADF4350 在 ADuC812 及 ADSP221xx 接口连接上的应用在 ADF4350 中有一个兼容 SPI串行接口,CLK、DATA和 LE 控制数据传输。当LE 高电平时,将已锁入寄存器的 32位数据在时钟 CLK 的上升沿移到相应的锁存器中,如图 5为其时间图,表 2 为寄存器地址表。图 6 显示了 ADF4350 和 ADuC812MicroConverter
18、 接口连接,由于 ADuC812是基于8051 核,因此这个接口可以用于任何基于 8051的微控制器中。为实现 SPI控制模式,以 CPHA=0 设定 MicroConverter。初始工作,驱动 LE 的 I/O 口被置为低电平。ADF4350 的每次锁存都需要一个 32位字,从 MicroConverter 到设备上是通过写四个 8 位字节来完成的。当第四个字节被写入时,LE 输入应被置为高电平以完成传送。ADuC812 上的 I/O口线也被用于控制电源关闭输入(CE)和锁定检测。当在所述方式下工作时,ADuC812 的最大 SCLOCK是 4MHz,这就意味着其可变输出频率的最大值是 1
19、25kHz。表 2C3、C2、C1的真值表控制位寄存器C3000011C2001100C1010101寄存器 0(R0)寄存器 1(R1)寄存器 2(R2)寄存器 3(R3)寄存器 4(R4)寄存器 5(R5)68中国科技核心期刊2009 年 4 月第 28卷第 4 期应用天地电路架构简单,可靠性高。由于 ADF4350 提供两个射频输出口,用户可对输出功率进行数字编程,而且它支持整数 N分频与小数 N分频模式,用户可通过软件控制方法确定最佳杂散与相位噪声性能,从而实现最佳的性能。另外由于 ADF4350 兼容了 SPI串行接口,它与 ADuC812 接口适用于任何基于8051 的微控制器,应
20、用非常方便。在数字信号处理器中,ADF4350 与 ADSP221xx的连接实现了整块串行数据的传送,应用前景非常广泛。图 6ADF4350 和 ADuC812接口连接参考文献1GILMORER,BESSERL.现代无线系统射频电路实用设计M.杨芳,翁木云译,北京:电子工业出版社,2006.2李智群,王志功.射频集成电路与系统M.北京:科学出版社,2008.3ROHDEUL,NEWKIRKDP.无线应用射频微波电路设计M.刘光祜,张玉兴,译,北京:电子工业出版社,2004.4黄智伟.锁相环与频率合成器电路设计M.西安电图 7ADF4350 和 ADSP221xx 接口连接图 7 显示了 ADF
21、4350 和 ADSP221xx 数字信号处理器的接口连接。ADF4350 每次的锁存写入都需要一个 32位串行字,采用 ADSP221xx系列做到这一点的最简单的方法是以交替形式使用自动缓冲的发送模式,它提供了一种在中断产生之前传送整块串行数据的方法。设定 8位的字长,用四个存储单元存储每个 32位字。编程每个 32位锁存器,存储 8位字节,起动 autobuffered 方式,写入 DSP的发送寄存器中,最后启动 autobuffer 进行传送。子科技大学出版社,2008.5MANASSEWITSCHV.频率合成原理与设计M.何松柏,宋亚梅,鲍景富,译,北京:电子工业出版社,2008.6吴敏渊.ADSP 系列数字信号处理器原理M.北京:电子工业出版社,2002.7鄢化彪,黄绿娥.基于 ADuC812 电源监控系统J.兵工自动化,2006,25(7):74275.8章百宝,王伟.基于 AduC812 的 CAN总线接口设计J.兵工自动化,2004,23(1):37238.4结束语低相位噪声频率合成器是卫星通信、手机基站,以及点对点微波无线电设备中关键性技术,ADF4350 频率合成器具有出色的相位噪声性能,解决了合成器相位噪声可能会限制一些系统的动态范围和接收灵敏度的问题。在基站发射系统中,应用 ADF4350 构建的直接变换调制器,中国科技核心期刊69