ADF4106频率合成器可以用来在RF接收器、发射器、信号分析仪、数据生成器或者任何要求本振功能的RF应用的上变频和下变频部分实现本振功能。当频率合成器与一个外部环路滤波器和电压控制振荡器(VCO)一起使用时,则可以实现完整的锁相环(PLL)。
ADF4106是一款整数-N PLL,其中,通道步长为整数N。该器件的RF频率输出范围最高为6 GHz,简单易用,额定相位噪声低,一般为−223 dBc/Hz(归一化相位噪底)。图1所示为低噪声单频时钟应用中采用ADF4106的完整锁相环的功能框图,图2为其简化原理图。
低噪声10 MHz参考源由 ADCLK905 缓冲,并交流耦合至ADF4106 PLL的 REFIN。VCO是一款低噪声、100 MHz正弦波 VCXO,其输出交流耦合至 ADCLK925的50 Ω输入负载。该VCXO与ADCLK925之间的接口非常简单,因为两个器件在负载和信号电平要求方面都是匹配的。ADCLK925 1:2缓冲器输出级同时向PLL提供RFOUT信号和所需RF反馈信号。
ADF4106 PLL以专用的3.3 V ADP150 低噪声LDO供电,两个时钟缓冲器(ADCLK905、ADCLK925)则由第二ADP150供电。ADP150的输出电压噪声仅为9 μV rms,可同时为PLL和时钟缓冲器提供低相位噪声保障。
低噪声VCXO由 ADP7102 低噪声5 V线性稳压器供电,以减少VCO推压的影响(等效于电源抑制)。
参考输入时钟缓冲器
PLL的 REFIN 和 RFIN 输入级的时钟缓冲器需要具备低附加的抖动,在工作频率下需要具有充足的压摆率,还需要有足够的信号摆幅以达到ADF4106的要求。
ADCLK905/ADCLK925是超快ECL时钟/数据缓冲器,专为尽可能降低宽输入压摆率范围下的附加随机抖动而设计。它们采用全摆幅ECL发射极耦合逻辑输出驱动器,传播延迟为95 ps,随机抖动为60 fs。这些器件的上升/下降时间(20%至80%)为60 ps(典型值),相当于约8000 V/μs的压摆率。
ADCLK905用于缓冲10 MHz REFIN频率源。许多应用通常采用10 MHz的参考频率。根据可用的信号摆幅,压摆率可能达不到ADF4106的50 V/μsec(最小值)压摆率要求。例如,10 MHz 0 dBm正弦波的压摆率只有20 V/μs。
选择ADCLK905作为 REFIN 时钟缓冲器,以提高10 MHz频率源的压摆率。ADCLK905的低附加的抖动确保REFIN时钟缓冲器带来的任何附加的抖动都是最小的。PLL带宽范围内的参考噪声不衰减,从而使参考噪声保持于低位,这是选择组件时的一个主要因素。ADCLK905的附加的抖动较低,为60 fs,这使其成为必然选择。在50 Ω环境中,输入和输出的匹配对性能有着重要的影响。ADCLK905的输入缓冲器同时为两个D输入提供内部50 Ω端接电阻。这两个50 Ω电阻之间的中心抽头 VT从外部连接至互补D输入和 VREF引脚。 这些引脚通过一个陶瓷电容去耦。
ADCLK905的PECL输出级从各端将800 mV直接驱动至端接于 VCC − 2 V的50 Ω负载。端接通过每个ADCLK905输出端的一个电阻端接实现。对于VCC=3.3 V,建议使用150 Ω的接地电阻。
输出设计用于驱动传输线路,每个输出引脚的负载阻抗应相匹配。ADCLK905 Q输出在交流耦合至ADF4106 REFIN的高阻抗输入之前,交流耦合至50 Ω负载。未使用的互补性Q输出应通过类似负载端接。
R输入时钟缓冲器
ADCLK925用于缓冲来自低噪声VCXO的100 MHz RFIN。RFIN要求的最小压摆率为320 V/μsec。ADCLK925提供 RFIN 输入端所需压摆率。ADCLK925的低附加的抖动对PLL相位噪声性能的影响很小。ADCLK925的1:2输出级简化了PLL的反馈,无需使用分频器和匹配元件。
PECL输出级从各端将800 mV直接驱动至端接于 VCC − 2V的50 Ω负载。通过一个150 Ω接地电阻,无需使用额外的电源,即可实现这一目标,如图2所示。ADF4106的 RFIN 输入级的额定最大信号电平为±600 mV。30 Ω的串联电阻将ADCLK925的输出摆幅降至该值以下。ADCLK925输出端交流耦合至ADF4106的50 Ω差分输入端。ADCLK925的第二输出端以类似方式端接,提供RFOUT信号。
PLL设计与性能
ADIsimPLL™软件用于设计PLL的环路滤波器,使用的是要求的低频率值,即10 MHz REFIN和100 MHz RFIN。该环路滤波器的带宽为818 Hz,相位裕量为45°。
图3所示为ADIsimPLL仿真相位噪声,表明ADF4106 PLL环路在低频下锁定,增量相位噪声很小。
PLL系统的实际测得相位噪声如图4所示。
用于生成环路滤波器元件的ADIsimPLL软件也可用来模拟电路性能。ADIsimPLL假定,REFIN 和 RFIN输入提供充足的信号压摆率和信号摆幅。ADIsimPLL允许模拟ADF4106PLL所使用的参考源,对于本设置来说,即是R&S SMA100信号发生器。
模拟单端10 MHz、0 dBm参考输入信号的相位噪声时,使用的是10 Hz和1 MHz的失调值下的测得值。利用Agilent FSUP频谱分析仪来测量这些失调值下的参考相位噪声。
为了在ADIsimPLL中模拟VCO性能,需要将ADCLK925数据手册和CVSS-945 VCXO (Crystek Crystals, 12730 Commonwealth Drive, Fort Myers, Florida 33913)的相位噪声数据结合起来,如表1所示。
相位噪声失调 |
ADCLK925 (dBc/Hz) | VCXO(dBc/Hz) | 合计(dBc/Hz) |
10HZ | -140 | -86 | -86 |
1MHZ | -158 | -172 | -157 |
ADCLK925数据手册中10 Hz失调下的相位噪声值为−140 dBc,其对合并1/f相位噪声的影响可以忽略不计。10 Hz失调下的合并1/f相位噪声为−86dBc/Hz。 1 MHz失调下的合并相位噪声为−157 dBc/Hz。
在数据手册中,ADCLK925在1 MHz失调下的相位噪声为–161 dBc/Hz。这是以差分方式测量所得结果,因此,在使用单端输出时,需要对数据手册中的测得噪底调整3 dB。VCXO的相位噪声为−172 dBc/Hz,其对合并相位噪声的贡献几乎可以忽略不计。
测得结果与仿真结果比较
表2所示为相位噪声和相位抖动的仿真结果和测得结果。相位噪声在失调值100 Hz、2 kHz和100 kHz测得。相位抖动为100 Hz至30 MHz的积分结果。在本次仿真中,ADIsimPLL程序使用的是面向参考源和VCO的点噪底模型。结果,ADIsimPLL中的模型非常接近1/f噪声和噪底,但在中间失调值下,它们可能与载波相差几dB。
参数 |
仿真 | 测得 |
PN Offset of 100Hz dBc/Hz |
-113 dBc/Hz |
-114 dBc/Hz |
PN Offset of 2 kHz dBc/Hz |
-126 dBc/Hz | -122 dBc/Hz |
PN Offset of 100 kHz dBc/Hz |
-156 dBc/Hz | -156 dBc/Hz |
Phase Jitter(100Hz to 30MHz) | 208fs | 276fs |
解决方案框图
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器件 | 类型 | 描述 | 数据手册 |
---|---|---|---|
ADCLK905 | 时钟分配器 | 超快型SiGe ECL时钟/数据缓冲器 | 点击下载 |
ADCLK925 | 时钟分配器 | 超快型SiGe ECL时钟/数据缓冲器 | 点击下载 |
ADF4106 | 整数 N PLL | 6 GHz整数N分频PLL |
点击下载 |
ADP150 | 正线性稳压器(LDO) | 超低噪声、150 mA CMOS线性调节器 | 点击下载 |
ADP7102 | 正线性稳压器(LDO) | 20 V、300 mA低噪声CMOS LDO | 点击下载 |
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