作者：James Lee and Paul Taylor

新型 PLL + VCO（帶集成壓控振蕩器的鎖相環）技術能夠快速開發低相位噪聲頻率合成器解決方案，適用于 25 MHz 至 13.6 GHz 的蜂窩/4F、微波無線電和軍事應用。

從事蜂窩/4G、微波無線電、測試設備和軍事子系統應用的無線電設計人員依靠高質量的本振 （LO） 來滿足低 BER（誤碼率）、低雜散輸出和低相位噪聲的系統級目標。所有射頻和微波通信和傳感器系統，無論是基于模擬調制還是數字調制，都需要干凈的LO信號源;無線電的容量越高，對LO信號的要求就越高。目前有許多不同的架構，但生成穩定LO源的最常見方法之一是將低相位噪聲壓控振蕩器（VCO）與穩定基準電壓源和鎖相環（PLL）相結合，形成頻率合成器。然而，尋求最佳LO性能的設計人員必須應對與PLL/頻率合成器、VCO、電荷泵和環路濾波器之間的相互作用相關的眾多挑戰，更不用說由于電路板布局和不必要的電源噪聲而產生的問題。

ADI公司在頻率生成元件方面擁有核心專業知識，如MMIC VCO、鎖相振蕩器（PLO）、低噪聲預分頻器、鑒頻檢波器（PFD）以及一系列RF輸入頻率高達13.6 GHz的雙模（小數/整數）PLL/頻率合成器IC。

表1和表2總結了ADI公司業界領先的集成VCO產品的PLL。這些帶有集成VCO產品的PLL涵蓋25 MHz至13.6 GHz的射頻和微波頻率。

表 1.集成VCO的ADI公司PLL性能摘要

表 2：集成 VCO 的 ADI PLL 的性能摘要

如圖 1 中的功能框圖所示，這些產品采用標準 5 mm × 5 mm 和 6 mm × 6 mm QFN 塑料封裝，實現了先進的小數 N 分頻頻率合成器和超低噪聲 VCO;這種高集成度最大限度地減少了外部元件的數量。它們專為超低相位噪聲商業和軍事應用而設計，包括一個非常低噪聲的鑒頻鑒相器（PFD）、一個精密控制的電荷泵和一個先進的調制器設計，允許超精細的頻率步進。

圖1.集成VCO產品的ADI PLL功能框圖和典型應用電路。

超低閉合相位噪聲和低雜散還允許具有更寬環路帶寬的架構實現更快的跳頻和低微音;雜散輸出足夠低，無需在許多應用中使用昂貴的直接數字頻率合成（DDS）基準電壓源。

帶集成VCO的PLL，適用于射頻市場應用

HMC830LP6GE是集成VCO產品的八款寬帶PLL之一，面向蜂窩/4G、微波回程IF以及測試和測量應用。該系列中的每款產品都結合了高性能小數N分頻PLL/頻率合成器的功能和完全集成的低噪聲VCO的功能。PLL的架構集成了用于RF應用的VCO，可實現低于5伏調諧的高性能VCO（見圖2）。環路濾波器中不需要運算放大器，從而節省了成本和電路板空間，同時提高了性能。集成VCO的PLL可以在一個極端溫度下鎖定，然后在整個溫度范圍內運行，而無需重新鎖定或重新校準;此功能在高可靠性應用中是必需的，但某些競爭解決方案不提供此功能。

圖2.集成VCO的HMC830LP6GE PLL的電壓與頻率的調諧。

如圖3所示，這些器件具有出色的相位噪聲性能，在帶內和遠端本底噪聲方面通常比競爭器件高10 dB，無需在低雜散或低噪聲模式之間進行選擇。100 Hz至1 MHz范圍內的典型–55 dBc積分噪聲相當于0.1°均方根抖動，或F時
為278 fs rms外= 1 千兆赫。

圖3.集成VCO的HMC830LP6GE PLL的SSB相位噪聲與失調頻率的關系。

如圖4所示，HMC830LP6GE優于其他集成解決方案。

圖4.最差雜散，固定 50 Mhz 基準電壓源，輸出頻率 = 2 GHz。

例如，與TI LMX2581相比，與TI LMX2581相比，HMC830LP6GE在偏移頻率大于20 MHz時，近載波相位噪聲降低約5 dB，相位本底噪聲降低約7 dB。此外，HMC830LP6GE具有出色的雜散性能，整個頻段的分數雜散要低得多，整體頻譜輸出更清晰。HMC830LP6GE在頻帶邊緣提供一致的過溫性能，以確保不會出現“壓差”。

集成VCO的ADF5355 PLL覆蓋55 MHz至13.6 GHz頻譜，是同類產品中最寬的，而ADF4355-2的頻率范圍為55 MHz至4.4 GHz。兩款器件均集成超低相位噪聲VCO，在3.4 GHz時為ADF4344-2提供–138 dBc/Hz @ 1 MHz偏移的相位噪聲，ADF5355在6.8 GHz時提供–132 dBc/Hz @ 1 MHz偏移的相位噪聲。

ADF5355和ADF4355-2的VCO相位噪聲性能是通過與ADI公司新的專有先進SiGe-BiCMOS工藝相結合開發的新型VCO拓撲和架構實現的。在超寬帶RF和微波通信應用中，這種超低相位噪聲具有提高整體系統誤碼率和增加數據吞吐量的優勢，同時可實現更好的抗噪性和更寬的動態范圍。

ADI公司的新型高性價比超寬帶PLL頻率合成器IC還具有高達125 MHz的相位比較器頻率和38位分辨率，可降低抖動并允許非常細的步長，而與分立式GaAs方案相比，采用先進BiCMOS工藝的集成PLL和VCO可顯著減小封裝尺寸和功耗。由于單個PLL頻率合成器可以配置為工作頻率為55 MHz至13.6 GHz，設計人員可以更快地重新配置其系統設計并減少器件庫存，同時仍支持多個頻段。

帶集成VCO的PLL，適用于微波市場應用

集成VCO的HMC764LP6CE PLL針對窄帶但高性能微波通信應用進行了優化。ADI公司是業內首家提供頻率高于6 GHz的集成PLL和VCO。這些產品具有ADI公司所認可的出色微波VCO性能，并具有先進的集成分數頻率合成器的功能。典型應用包括微波和毫米波無線電、工業/醫療測試設備、軍事通信、電子戰 （EW） 和電子對抗 （ECM） 子系統。

如圖5所示，HMC764LP6CE在整個帶寬范圍內具有一致的調諧靈敏度和高達16 dBm的高輸出功率，非常適合直接驅動ADI公司許多高線性度、雙平衡和I/Q混頻器以及上變頻和下變頻產品的LO端口。

圖5.集成VCO的HMC764LP6CE PLL的調諧靈敏度和RF輸出功率與輸出頻率的關系。

HMC764LP6CE的低、中、高頻范圍內的出色單邊帶（SSB）相位噪聲性能與失調頻率的關系如圖6所示。該數據是在參考頻率為50 MHz、環路帶寬為100 kHz以及PFD存在50 MHz比較頻率的情況下測量的。由于采用單片結構，相位噪聲性能在整個溫度和機械沖擊范圍內保持一致。此外，內置 FSK 模式允許該器件用作簡單、低成本的直接 FM 發射源。

圖6.集成VCO的HMC764LP6CE PLL的SSB相位噪聲與失調頻率的關系

即使具有如此先進的功能和高度集成，開發高性能可編程本振仍然需要相當長的設計時間。為此，ADI公司開發了帶有集成VCO參考設計人員套件的PLL，可以立即測量手頭的設計。

圖7所示的典型評估PCB是易于使用的通用評估套件的一部分，可最大限度地縮短設計時間并促進快速原型設計。參考設計人員套件包括板載參考振蕩器和穩壓器，并支持通用環路濾波器配置。隨附的軟件允許用戶對PLL進行編程并訪問其高級功能。完整的操作指南提供了分步說明，使用戶能夠快速上電和初始化評估板。該指南全面討論了評估板內使用的元件，并涵蓋了一些高級主題，例如為外部基準重新配置評估板，以及實現板載可選階數無源或有源環路濾波器。

圖7.帶集成VCO評估PCB的PLL，包含在每個設計人員的套件中。

每個參考設計人員套件都包含ADI公司專有的ADIsimPLL設計工具，允許用戶根據其特定應用定制標準評估PCB環路濾波器。提供全面的基于 PC 的 PLL 控制軟件，以及與 PC 兼容的寄存器文件，可通過 USB 接口對 PLL 進行編程。在很短的時間內，用戶只需一臺PC、一個信號分析儀和直流電源即可評估完全鎖定的本振。ADI技術嫻熟的應用工程師團隊也可幫助客戶快速熟悉這一獨特的產品。

集成VCO產品的ADI公司PLL獨特地結合了低相位噪聲、高級特性和超小尺寸等特性，使其成為眾多小尺寸應用的理想選擇，包括微波/毫米波無線電、測試設備、微波傳感器、光纖通信以及軍事通信和傳感器。

基于混合的合成器通常采用基于玻璃纖維的基板材料，具有分立式VCO，大型諧振器和沖壓金屬蓋。這種組裝技術可能會在用戶的系統中出現與RF接地相關的問題，以及不必要的電和微音耦合效應。與分立混合頻率合成器/VCO配置相比，ADI公司的集成頻率發生解決方案使設計人員能夠實現其性能一致、高可靠性和小尺寸的目標。集成VCO的ADI公司PLL還具有小得多的諧振器，因此與大型混合設計相比，具有出色的顫音性能。這些集成VCO產品的PLL采用符合RoHS標準的QFN無引腳封裝，是高速、大批量SMT裝配線的理想選擇。

審核編輯：郭婷