摘? 要: 介紹了美國國家半導體公司新推出的低功耗單片雙鎖相環芯片LMX2370的結構、原理、特點,給出了LMX2370在V/UHF航空電臺頻率合成器中的應用實例。
關鍵詞: 鎖相環? 頻率合成器? 通信
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1 LMX2370簡介
LMX2370是美國國家半導體公司新推出的高性能、低功耗、雙鎖相環芯片，其主要特點有:寬工作電壓2.7～5.5V;超低功耗(6mA);低相位噪聲層;雙模前置分頻比可編程(主環P=32/33或16/17,副環P=16/17或8/9);工作頻率高,主環達2.5GHz(P=32/33)或1.2GHz(P=16/17),副環達1.2GHz(P=16/17)或550MHz(P=8/9)。
1.1 LMX2370的結構及工作原理
LMX2370的內部結構如圖1所示。它包含兩路鑒相器、電流充電泵、可編程15bit參考分頻器R和反饋頻率分頻器N。其中,N分頻器由可編程前置分頻器P、整數分頻器B和吞除計數器A組成,N=PB+A。來自外部晶體振蕩器的信號(OSCin)經R分頻后,作為參考頻率fr,加到鑒相器;壓控振蕩器(VCO)的反饋頻率fvco,經N分頻后,也加到鑒相器。鑒相器對兩輸入信號進行相位比較,驅動電流充電泵輸出誤差信號,經片外環路濾波器濾波后,形成調諧電壓,調整VCO頻率,直至環路鎖定,fvco=N·fr,此時鎖定檢測(LD)為高電平。
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1.2 LMX2370引腳功能
LMX2370的封裝形式有20腳TSSOP和24腳CSP。各引腳功能如表1所示。
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1.3 LMX2370的三線串行接口及編程數據格式
LMX2370提供了符合MICROWIRETM協議的三線串行接口線:時鐘、數據、使能。在時鐘上升沿,數據移入移位寄存器,最高有效位(MBS)先入;在使能上升沿,移位寄存器的22位數據將鎖存到串行數據最后2位(地址位)所指定的鎖存器。
22位串行編程數據格式如表2所示。
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(1)Bit1和Bit0是4個鎖存器(主環的N和R鎖存器,副環的N和R鎖存器)的地址。
(2)反饋頻率分頻比N=PB+A,A的分頻比范圍為0～31，B的分頻比范圍為3～8191。要求B≥A,N≥Nmin=P·(P-1)。參考分頻比R的范圍為2～32767，但R的選擇必須使fr≤10MHz。
(3)R鎖存器中,Bit19用于選擇充電泵輸出方式,Bit19=0為正常方式,Bit19=1為三態方式。Bit18用于選擇充電泵輸出電流幅度,Bit18=0選擇±1mA， Bit18=1選擇±4mA。Bit17用于選擇鑒相器極性, VCO壓控系數為負時選擇Bit17=0,壓控系數為正時選擇Bit17=1。Bit21和Bit20(分別記為LD3、LD2、LD1、LD0)用于選擇FOLD輸出方式,當LD3LD2LD1LD0編程為0001時,FOLD輸出主環的鎖定信號;編程為0100時,FOLD輸出副環的鎖定信號;編程為0101時,FOLD輸出主環和副環鎖定“與”信號;其它編碼組合用于輸出鑒相器輸入端的頻率信號。
(4)N鎖存器中,Bit20用于選擇前置分頻比P,對主環,Bit20=0選擇16/17,Bit20=1選擇32/33;對副環,Bit20=0選擇8/9,Bit20=1選擇16/17。Bit21用于選擇電源工作方式,Bit21=0選擇正常方式, Bit21=1選擇省電(體眠)方式。
2 LMX2370應用舉例
這里,以某型V/UHF航空收發信機為例,說明LMX2370在該設備頻率合成器中的應用。
2.1 V/UHF航空收發信機頻率合成器要求
該收發信機的收發工作頻率為30～399.975MHz,頻率間隔為25kHz,頻率穩定度為±1ppm;第一中頻為900MHz,第二中頻為20MHz或70MHz。一本振為930～1299.9MHz,頻率間隔為100kHz;二本振為829.925～830MHz或879.925～880MHz,頻率間隔為25kHz。
2.2 合成器電路設計
依據頻率合成器的要求,選擇LMX2370作為核心芯片,外接晶體振蕩器、無源環路濾波器和VCO,構成如圖2所示的電路。
2.2.1 晶體振蕩器
N7選用8MHz溫補晶體振蕩器,其頻率穩定度為±1ppm。
2.2.2 VCO
N3(VCO1)和N5(VCO2)選用HE403。HE403的電源電壓為12V,工作頻率范圍為800~1500MHz,調諧電壓范圍為0~20V,輸出功率≥13dBm,頻偏10kHz時相位噪聲為-100dBc/Hz。
2.2.3 LMX2370的編程
LMX2370的編程數據、時鐘、使能信號由微控制器(87C552)提供。
設置主環R=80,副環R=320,于是主環fr1=100kHz,副環fr2=25kHz。由fvco1和fr1，可計算出主環的N=9300～12999；由fvco2和fr2，可計算出副環的N=33117～35200。前置分頻比P的選擇,需考慮VCO的頻率范圍且滿足N≥Nmin=P·(P-1)的原則。依據主、副環的VCO頻率和分頻比N,選擇主環P1=32/33,副環P2=16/17。選擇CPO的極性為正(因HE403的壓控系數為正),電流幅度為±4mA,三態輸出方式;設置 LD3LD2LD1LD0=0101,即選擇FOLD輸出雙環綜合鎖定信號。
2.2.4? 鎖定檢測電路
在環路鎖定時，FOLD輸出高電平,但存在很窄的負脈沖。為此,設置了由T1組成的FOLD信號處理電路。雙環均鎖定時,“合成器自檢”輸出線為穩定的低電平,該信號送微控制器,供電臺自檢狀態使用。
2.2.5 環路濾波器
環路濾波器的設計主要是確定合理的環路帶寬。本合成器的鎖定時間要求不高(不超過2ms),但需盡量降低噪聲。為此選擇三階無源濾波器(主環中的C15、C16、R1、R5和C17,副環中的C24、C25、R8 R9和C26),以增大對鑒相頻率泄漏干擾的抑制。在主環中,VCO1輸出頻率1300MHz所需的調諧電壓約12V,而環路濾波器的最大輸出電壓只有5V,為此,在環路濾波器插入了一級直流放大器(Av=3)。
已知主環參數:Kvco=50MHz/V，K=4mA,fr=100kHz;選擇:主環路帶寬為10kHz,相位裕度為45°,R5、C17對100kHz鑒相頻率泄漏干擾的附加衰減為20dB;依據鎖相環的相位模型和環路濾波器元件參數計算式(詳見參考文獻2),得出主環環路濾波器的各元件參數如圖2所示;又知副環參數:Kvco=50MHz/V，Kφ=4mA,fr=25kHz;選擇副環路帶寬為5kHz,相位裕度為45°,R9、C26對25kHz附加衰減為20dB,同理可計算出副環濾波器各元件參數如圖2所示。
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2.2.6 VCO輸出級
選用DS323三路功率分配器作為VCO輸出級。DS323的三路輸出中,第一路作為接收機本振信號,第二路加到發射機載波產生電路,第三路作為環路反饋信號。為了使VCO的輸出功率主要供給前兩路負載,在反饋輸入端設置100Ω電阻(主環中的R6,副環中的R11)。
????經實用測試,一本振輸出功率為4.3dBm， 雜散抑制-63dBc，偏離中心頻率10kHz的相位噪聲為-72dBc/Hz;二本振輸出功率為5.1dBm,雜散抑制-66dBc，偏離中心頻率10kHz的相位噪聲為-75dBc/Hz。
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參考文獻
1 LMX2370/LMX2371/LMX2372 PLLatinum Dual Frequency Synthesizer for RF Personal Communications.National Semiconductor Corporation， March 1999
2 LMX2320 PLLatinum Frequency Synthesizer for RF?Personal Communications. National Semiconductor Corporation， September 1996