集成鎖相環(huán)頻率合成器LMX2320的原理與應用

摘要：介紹了美國National Semiconductor公司生產(chǎn)的鎖相式頻率合成器LMX2320的內部結構及原理功能，深入研究了LMX2320的結構特點(diǎn)，并在此基礎上給出了一個(gè)基于LMX2320的環(huán)路濾波器的設計方案，該方案可較好地滿(mǎn)足工程設計中對相位噪聲的要求。

關(guān)鍵詞：鎖相環(huán) 頻率合成 環(huán)路濾波 LMX2320

1 引言

美國國家半導體公司（National Semiconductor）生產(chǎn)的LMX2320是一種高性能的集成鎖相環(huán)頻率合成器芯片，它在一塊很小的芯片內集成了鎖相式頻率合成器的多種重要部件，使用時(shí)只需再合理搭配上一、二塊集成電路和少量的外圍電路，即可構成一個(gè)完整且可靠性很高的頻率合成器，該芯片設計應用簡(jiǎn)單靈活，且能減小系統體積。

2 LMX2320的結構及性能

2.1 LMX2320的結構

圖1為L(cháng)MX2320的結構功能方框圖，它主要由數字鑒相器、參考振蕩器、參考分頻器、程序分頻器以及電流開(kāi)關(guān)電荷泵等電路組成。其主要特性如下：

●工作頻率高達2.0GHz；

●電源電壓范圍為2.7～5.5V；

●電流消耗典值為10mA；

●具有64/65或128/129可選的雙模前置分頻器；

●內含平衡式、低泄漏電荷泵；

●具有節能工作模式。在Vcc=3V時(shí)，電流消耗典型值為30μA；

●采用20腳TSSOP封裝。

2.2 LMX2320的引腳說(shuō)明

LMX2320芯片各引腳的功能說(shuō)明如下（括號內的數字為引腳號）：

OSCin(1)、OSCout（3）：參考振蕩器的輸入端、輸出端，其中輸入端具有Vcc/2的輸入門(mén)限，由外部CMOS門(mén)或TTL門(mén)來(lái)驅動(dòng)，也可用作外部提供的參考振蕩器緩沖器；

Vp(4)：電荷泵的工作電壓輸入端，其輸入電壓必須大于Vcc；

Vcc(5)：電源電壓輸入端，范圍為-0.3V～+6.5V。電源濾波的旁路電容應盡可能靠近該腳，并直接連接到地；

Do(6)：內部電荷泵輸出端，可通過(guò)環(huán)路濾波來(lái)控制外部VCO；

GND（7）：地；

LD（8）：鎖定檢測輸出端，當環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時(shí)，該腳輸出高電平并有窄的負脈沖；

Fin(10)：前置分頻器輸入端，小信號輸入；

CLK（11）：高阻CMOS時(shí)鐘輸入端，數據在時(shí)鐘的上升沿進(jìn)入各計數器和寄存器；

DATA（13）：高阻COMS二進(jìn)制串行數據輸入端，數據傳輸順序為：高位在前低位在后；

LE（14）：使能輸入端，當LE端變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，移位寄存器中的數據將送到相應的閉鎖。LE電平由高到低或由低到高變化時(shí)，CLK端必須保持在低電平（見(jiàn)圖2所示的時(shí)序圖）；

FC（15）：相位選擇控制端，低電平時(shí)鑒相器和電荷泵的極性反轉；

BISW（16）：模擬開(kāi)關(guān)輸出端，當LE為高電平時(shí)，模擬開(kāi)關(guān)接通，此時(shí)，內部電荷泵的輸出信號才可經(jīng)BISW端送出（不影響Do端信號）；

Fout(17)：鑒相器輸入信號的監控端，CMOS輸出；

Φp(18)、φr(20)：鑒相器的輸出端，用作外部電荷泵的輸入，其中φp是一N溝道晶體管的漏極開(kāi)路輸出，使用時(shí)需接一上拉電阻，φr為CMOS輸出；

PWDN（19）：節能控制輸入端，高電平時(shí)為正常模式，低電平是為節能模式；

NC（2、9、12）：懸空不連；

圖2給出了CLK、DATA和LE端的控制信號時(shí)序。

3 典型應用

以L(fǎng)MX2320為核心，選擇適當的外部VCO，設計出相應的環(huán)路濾波器，即可構成低噪聲、低功耗、高穩定度的頻率合成器。圖3是某通信信號模擬器中的一個(gè)頻率合成器組的應用實(shí)例。該頻率合成器的輸出頻率范圍較寬，為760MHz～940MHz，頻率間隔為25kHz，如選用20MHz的外部高精度恒溫晶振作參考振蕩器，則參考分頻比為800，環(huán)路總分頻比為30400～37600。該雙模前置分頻器工作于64/65模式，可用微機并口對其進(jìn)行控制。LMX2320內部的電荷泵輸出誤差電壓經(jīng)濾波后的可作為控制電壓來(lái)驅動(dòng)壓控振蕩器JTOS1205。

4 環(huán)路濾波器的設計

在通信中，頻率合成器無(wú)論是用作發(fā)射機的激勵信號源，或者接收機的本地振蕩信號源，還是單獨作為無(wú)線(xiàn)電測量設備中的標準信號發(fā)生器時(shí)，都應保證很低的相位噪聲，否則通信質(zhì)量就無(wú)從談起。因此必須根據指標要求選擇高性能的頻率合成器芯片和低噪聲的VCO以及設計濾波特性良好的環(huán)路濾波器。環(huán)路濾波器的作用是抑制鑒相器輸出電壓中的載頻分量和高頻噪聲，降低由VCO控制電壓的不純而引起的寄存器輸出。由于各種雜散干擾信號在環(huán)路中所影響的位置不同，因此所表現的噪聲特性也有所不同，這樣在設計環(huán)路濾波器時(shí)就需要具體分析干擾來(lái)源，合理選擇濾波器參數，以獲得最佳的濾波性能。LMX2320推薦使用二階或高階無(wú)源低通濾波器，圖4為三階低通濾波器的電路圖。由于無(wú)源環(huán)路濾波器所能提供的調試電壓動(dòng)態(tài)范圍不夠大，而在圖3所示的應用實(shí)例中的頻率合成器的帶寬要求較高，以及VCO的控制電壓范圍較大，因此在設計中對三階無(wú)源濾波器做了一點(diǎn)改動(dòng)，即增加了一級運算放大器來(lái)適應VCO控制電壓的要求。