基于MC145152-2芯片的頻率合成器的設計

介紹了MC145152－2芯片的特點(diǎn)，并分析了利用該芯片設計1 800 MHz頻率合成器的方法。該頻率合成器具有較低的相位噪聲、很高的頻率穩定度，它將在移動(dòng)通信等領(lǐng)域有廣泛的應用。
關(guān)鍵詞：頻率合成器，鎖相環(huán)，壓控振蕩器，相位噪聲

1　引　言
　　頻率合成技術(shù)是現代通信的重要組成部分，它是將一個(gè)高穩定度和高準確度的基準頻率經(jīng)過(guò)四則運算，產(chǎn)生同樣穩定度和準確度的任意頻率。隨著(zhù)大規模集成電路的發(fā)展，利用鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)研制出了很多頻率合成集成電路。其中，以摩托羅拉公司的MC14515x－2系列較為先進(jìn)，本文將介紹一種基于MC145152－2芯片的頻率合成器。這種鎖相環(huán)頻率合成器的穩定度和準確度與基準頻率相當，不產(chǎn)生額外的誤差。它在移動(dòng)通信等領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用。
2　MC145152┐2芯片的特點(diǎn)及功能
　　MC145152－2芯片是摩托羅拉公司生產(chǎn)的鎖相環(huán)頻率合成器專(zhuān)用芯片。它是MC145152－1芯片的改進(jìn)型。MC145152－2芯片具有下列主要特征：
　?。?）它與雙模（P／（P＋1））分頻器同時(shí)使用，有一路雙模分頻控制輸出MC。當MC為低電平時(shí)，雙模分頻器用（P＋1）去除；當MC為高電平時(shí)，雙模分頻器用模數P去除。
　?。?）它有A計數器和N計數器兩個(gè)計數器。它們與雙模（P／（P＋1））分頻器提供了總分頻值（NP＋A）。其中，A、N計數器可預置。N的取值范圍為3～1023，A的取值范圍為0～63。A計數器計數期間，MC為低電平；N計數器計數（N－A）期間，MC為高電平。
（3）它有一個(gè)參考振蕩器，可外接晶體振蕩器。
　?。?）它有一個(gè)R計數器，用來(lái)給參考振蕩器分頻，R計數器可預置，R的取值范圍：8，64，128，256，512，1024，1160，2048。
　?。?）它有兩路鑒相信號輸出，其中，ФR、ФV用來(lái)輸出鑒相誤差信號，LD用來(lái)輸出相位鎖定信號。
　　MC145152－2的供電電壓為3．0 V～9．0 V，采用28腳雙列封裝形式。MC145152－2的原理框圖如圖1所示。

　　MC145152－2的工作原理：參考振蕩器信號經(jīng)R分頻器分頻后形成fR信號。壓控振蕩器信號經(jīng)雙模（P／（P＋1））分頻器分頻，再經(jīng)A、N計數器分頻器后形成fV信號，fV＝fVCO／（NP＋A）。fR信號和fV信號在鑒相器中鑒相，輸出的誤差信號（ΦR、ΦV）經(jīng)低通濾波器形成直流信號，直流信號再去控制壓控振蕩器的頻率。
　　當整個(gè)環(huán)路鎖定后，fV＝fR且同相，fVCO＝（NP＋A）fV＝（NP＋A）fR，便可產(chǎn)生和基準頻率同樣穩定度和準確度的任意頻率。
3　1 800 MHz頻率合成器的設計〔1〕
3．1　1 800 MHz頻率合成器元件的選取
　　鎖相環(huán)頻率合成器選用芯片MC145152－2。晶振選用10．24MHz的溫補晶體，它的頻率穩定度較高，可達10－8。低通濾波器選用運放芯片MC33171；雙模分頻器選用MC12054A芯片，模數P＝128，工作頻率為2．0 GHz；壓控振蕩器選用變容管電調諧介質(zhì)振蕩器。
3．2　MC145152-2芯片參數的設計

R的取值范圍＝512，RA2～RA0為100，
N的取值范圍＝703，N9～N0為1010111111，A的取值范圍＝16，A5～A0為010000。
　　R計數器、N計數器、A計數器可預置，各管腳接地為邏輯0，懸空為邏輯1。
3．3　1 800 MHz頻率合成器電路的設計
1 800 MHz頻率合成器電路圖，如圖2所示。

　　圖2中，運放芯片MC33171構成了有源比例積分濾波器，在設計時(shí)首先選擇合適的電容C，然后，再根據ωn、N、Kv、Kd和ξ計算R1和R2的值。

式（1）和式（2）中，Kv為壓控振蕩器電調靈敏度（rad／sV）；Kd為比相器靈敏度，Kd＝VDD／2π，VDD是運放的工作電壓（VDD＝5 V），Kd單位取V／rad；N為總分頻次數；ξ為鎖相環(huán)路的阻尼系數，ξ的合適取值范圍是在0．5～1．0之間，通常選擇最佳起始點(diǎn)ξ＝0．707；ωn為環(huán)路自然諧振角頻率，ωn值的選擇將直接影響環(huán)路濾波特性和捕捉時(shí)間，為了保證環(huán)路對噪聲有較好的抑制，ωn應該遠小于鑒相頻率ωd，通?？砂词剑?）選擇
　　ωn＝ωd／（30～1 000），（3）
當噪聲來(lái)源于參考頻率和分頻器時(shí)，ωn可以選擇得小些；當噪聲來(lái)源于壓控振蕩器時(shí)，ωn可選擇得大些。
具體計算如下：
Kd＝VDD／（2π）＝5／（2π）＝0．796 V／rad，

故：R1選用4．7 kΩ電阻，R2選用120 kΩ電阻。
　　變容管電調諧介質(zhì)振蕩器〔2～4〕如圖3所示，把變容管通過(guò)微帶線(xiàn)與介質(zhì)振蕩器耦合形成電調諧電路，調諧電壓加在變容管兩端，改變變容管結電容，就可以實(shí)現諧振頻率的調整。

　　這種介質(zhì)振蕩器體積小、高穩定、低噪聲，能夠滿(mǎn)足鎖相環(huán)路的要求。
4　測試結果
　　經(jīng)測試，本頻率合成器具有較低的相位噪聲，在偏離載頻100 Hz、1 kHz、10 kHz時(shí)，相位噪聲分別為－35dBC、－65 dBC、－85 dBC（見(jiàn)圖4）。它的頻率穩定度也很高，在－20℃～＋55℃范圍內可以穩定在10－8以?xún)取?br />5　結束語(yǔ)
　　本文將鎖相環(huán)頻率合成器專(zhuān)用芯片MC145152－2、變容管電調諧介質(zhì)振蕩器用于1 800 MHz頻率合成器中，使該頻率合成器具有較低的相位噪聲、很高的頻率穩定度。與傳統頻率合成器相比，性能有了很大的提高。該頻率合成器在移動(dòng)通信等領(lǐng)域將有著(zhù)廣泛的應用。