ADF4350低相噪频率合成器在射频无线通信设备中的应用

1、2009年4月第28卷第4期应用天地ADF4350低相噪频率合成器在射频无线通信设备中的应用马国胜1杨鹭怡2(1.电子工程学院合肥230037;2.)摘要:,、功耗低的特点。ADF4350频率合成器具有全集成、低相位噪声的优点,()(),可以工作在极宽的连续频率范围内,广泛用于无线基础设备及测试设备,TV。本文简要介绍了ADF4350的主要功能,详细给出了基于ADF4350,221xx的接口连接的设计方案。关键词:;均方根抖动中图分类号:T513文献标识码:BApplicationofADF4350frequencysynthesizerwithlowphasenoiseintheRFwire

2、lesscommunicationdeviceMaGuosheng1YangLuyi2(1.ElectronicEngineeringInstitute,Hefei230037,China;2.ArtilleryInstitute,Hefei230031,China)Abstract:InmodernRFandmicrowaveelectronicsystems,thefrequencysourcesarerequiredwithsomecharacteristicswhilehavehigh2frequencyandlowphasenoise,andhavegoodreliability,s

3、mallsize,lowpowerconsumption.TheADF4350hasadvantagesoffullyintegratedandlowphasenoise,thevoltagecontrolledoscillator(VCO)andphase2lockedloop(PLL)areintegratedinthechip,itcanworkinawidecontinuousfrequencyranging,anditiswidelyusedtowirelessinfrastructureandtestequipment,WirelessLANs,CATVequipmentandcl

4、ockgeneration.ThemainfunctionofADF4350isbrieflyintroducedinthispaper,andsomedesignsaboutdirectconversionmodulatorthatbasedonADF4350anditsinterfacewithADuC812,ADSP221xxaregiven.Keywords:lowphasenoiseVCO;phase2lockedloop;logiccompatibility;rmsjitter0引言频率源是现代射频和微波电子系统的心脏,其性能直接影响整个电子系统。随着无线电技术的发展,人们提出了各

5、种各样的频率源的设计方案。其中锁相式频率源具有输出频率高,频率稳定度高、频谱纯、寄生杂波小及相位噪声低等优点。但是在超宽带上实现频率连续可调一般需要使用多达10个分立的VCO/PLL,ADI公司的ADF4350频率合成器为设计工程师提供了单芯片低相位噪声的解决方案122。1ADF4350功能及特点ADF4350是一款内置片上低噪声压控振荡器(VCO)的锁相环(PLL)。这款完整的频率合成器支持137.5作频率、1MHz偏移处的相位噪声为-137dBc/Hz,在137.5MHz工作频率、1MHz偏移处的相位噪声为-155dBc/Hz,这相当于2.1GHz频率下的综合均方根(RMS)相位误差为0.

6、36°,137.5MHz频率下的综合均方根相位误差为0.02°。ADF4350内置的压控振荡器(VCO)可以覆盖22004400MHz的频率范围。另外,ADF4350提供两个射频输出端口,使用户可对输出功率进行数字编程。与其他同类产品不同,ADF4350支持整数N分频与小数N分频工作模式,允许用户通过软件控制方法确定最佳杂散与相位噪声性能,从而实现最佳的性能。此外,片上1/2/4/8或16分频电路使用户能够生成低至137.5MHz的射频输出频率328。作者简介:马国胜,副教授,主要研究方向是信号处理及其应用技术。中国科技核心期刊65应用天地1.1ADF4350的主要特性AD

7、F4350的主要特性如下:输出频率范围为135MHz到4.35GHz;分数N合成器和整数N合成器;2009年4月第28卷第4期ADF4350是集成了电压控制振荡器(VCO)的宽带时钟合成器,如果和外部环路共同使用来滤除外部参考频率,可以确保分数N和整数N锁相环(PLL)频率合成器的执行,其输出频率在2.2GHz到4.4GHz之间。针对那些需要隔离的应用,RF输出级可以被屏蔽。屏蔽功能既可以通过引脚控制,ADF4350RF输出,所有寄存器的3.03.6V,ADF4350主(WCDMA、TD2SCDMA、WiMax、DECT)、测试设备、时钟生成、无线LANs及CATV设备等。ADF4350引脚说

8、明如下:CLK(1):串行时钟输入端。高阻CMOS输入,数据在时钟上升沿锁存在32位移位寄存器中。DATA(2):串行数据输入端。高阻CMOS输入,串行数据首先加载MSB,第三位LSB为控制位。LE(3):加载使能端。CMOS输入,当LE高电平时数据存入移位寄存器。CE(4):芯片使能端。该引脚逻辑低电平关闭装置,使电荷泵处于三态模式;引脚逻辑高电平时,由电源关闭位的状态启动装置。SW(5):快锁开关。从环路滤波器与该引脚相连即可使用快锁模式。VP(6):电荷泵电源。该引脚相当于AVDD,去耦电容到地尽可能放置在靠近该引脚的位置。CPOUT(7):电荷泵输出端。启动时,提供±ICP给

9、外部环路滤波器,连接环路滤波器至VTUNE以驱动内部VCO。低相位噪音VCO;可编程且可被分为1/2/4/8路或16路的输出;典型的均方根抖动值0.5ps;3.0到3.6V电源;1.8V逻辑兼容性;可编程双模4/5或8/9预先分频;可编程输出功率电平;RF输出屏蔽功能;3线串行接口;模拟和数字锁定检测;开关带宽快速锁定模式;减小周期滑移。1.2ADF4350的功能框图及引脚说明ADF4350外引脚图如图1所示,所示。图1ADF4350外引脚图图2ADF4350功能方框图66中国科技核心期刊2009年4月第28卷第4期CPGND(8):电荷泵地。这是CPOUT地返回引脚。AGND(9):模拟地。

10、这是AVDD地返回引脚。AVDD(10):模拟电源。电源范围3.03.6V。去耦电容到地尽可能放置在靠近该引脚的位置,AVDD必须和DVDD值相同。AGNDVCO(11,18,21):VCO模拟地。RFOUTA+(12)、RFOUTA2(13):VCO输出和互补输出。输出是可编程的,可得到VCO的基本输出或分频输出。RFOUTB+(14)、RFOUTB2(15):VCO互补输出。输出是可编程的,可得到VCO分频输出。VVCO(16,17):06V。,VVCO必须和AVDDTEMP(19)VTUNE(20):控制VCO的输入。该电压是由滤波CPOUT输出电压得到,它决定输出频率。RSET(22)

11、:在该端与地之间连接一个电阻设置电荷泵输出电流,在RSET端标称偏置电压为0.55V,ICP和RSET的关系式为:应用天地式中:fREF是输入参考频率,D是RFfREF倍频因子,T是参考(除0或1),R是射频参考分频因子。例如在UMTS系统中,要求2112.6MHz的RF输出频率(fOUT),在10MHz的参考频率输入(fREF)的情况下,在RF输出端要求200kHz分辨率(fOUT)。注意,ADF4350的工作频率范围在2.2GHz到4.4GHz,输出分频值取2(VCO频fRES=4225.,fOUT=fRES/2=MHz/2)图3闭环输出分频器在RF分频器的输出端要求分辨率是200kHz,

12、因此在VCO(fRES)输出端分辨率是fOUT的两倍,即400kHz。M=fREF/fRESM=10MHz/400kHz=25由方程2得到fPFD=10MHz×(1+0)/1=10MHz这里:RSET=5.1k,ICP=5mA。VCOM(23):在一半调谐范围,内部补偿其偏差。VREF(24):参考电压。LD(25):锁定检测输出端。该端输出一个逻辑高电平表明锁相环锁定,输出低电平即失锁。PDBRF(26):RF电源关闭。该端逻辑低电平时屏蔽RF输出,这一屏蔽功能可用软件控制。DGND(27):数字地。DVDD(28):数字电源。该端应与AVDD电压相同。REFIN(29):参考输入

13、。这是一个以VDD/2为标称起点的CMOS输入,相当于100k输入电阻的DC。这个输入电压能够驱动一个TTL或CMOS晶体振荡器,也可以进行交流耦合。MUXOUT(30):复合输出。它允许锁定检测,配置RF,或配置参考频率进入外部链接部分。调节器地。SDGND(31):数字2调节器电源。应与AVDD值SDVDD(32):数字2相同。(3)(4)2112.6MHz=10MHz×(N+k/25)/2式中:N=422,k=13。模(M)的选择主要取决于参考输入和输出分辨率,例如,在一个GSM系统中,参考输入为13MHz,则模就要取65,这就意味着RF输出分辨率为200kHz(13MHz/6

14、5),随着抖动,其分数间隔取决于模的选择(如表1所示)。表1有抖动现象的脉冲间隔条件如果M是除2,不是3如果M是除3,不是2如果M是除6其他重复长度2×M3×M6×MM脉冲间隔波道间隔/2波道间隔/3波道间隔/6波道间隔3ADF4350的典型应用3.1在直接变换调制器中的应用2ADF4350频率合成计算举例下面是一个ADF4350频率合成的一个例子:(1)fOUT=N+(k/M)×fPFD/2式中:fOUT是射频输出频率,N是整数分频因子,k是小数分频因子,M是模。(2)fPFD=fREF×(1+D)/(R×(1+T)直接变换架构越来

15、越多的被用在基站发射机中,图4所示即为ADF4350在直接变换调制器中的应用电路。图中显示AD9761TxDAC和ADL5375结合使用,使用双集成DAC,例如像AD9788具有独特的±0.02dB和±0.001dB的增益和偏移匹配的特点,在整个温度范围确保信号链这部分的最小误差。本地振荡器(LO)由ADF4350实现,低通滤波器使用ADIsimPLLTM方案实现200kHz波道间隔及35kHz闭环带宽。ADL5375的LO部分可由ADF4350的互补RFOUTA和中国科技核心期刊67应用天地RFOUTB输出的差动来驱动,这使得其性能优于单端的LO驱2009年4月第28卷第

16、4期ADF4350,可通过软件编程以得到最佳的LO功率。RF输出是为了推动50负载,如图3所示。如果I动器,并在ADL5375中省去使用变压器。在这个配置中,LO的典型均方根相位噪声(100Hz至5MHz)为0.61°。AD8349的LO驱动值为-10dBm到0dBm,对于和Q输入是由2Vp2p信号正交驱动,那么调制器输出功率大约为2dBm。图4ADF4350直接变换调制器电路图3.2ADF4350在ADuC812及ADSP221xx接口连接上的应用在ADF4350中有一个兼容SPI串行接口,CLK、DATA和LE控制数据传输。当LE高电平时,将已锁入寄存器的32位数据在时钟CLK的

17、上升沿移到相应的锁存器中,如图5为其时间图,表2为寄存器地址表。图6显示了ADF4350和ADuC812MicroConverter 接口连接,由于ADuC812是基于8051核,因此这个接口可以用于任何基于8051的微控制器中。为实现SPI控制模式,以CPHA=0设定MicroConverter。初始工作,驱动LE的I/O口被置为低电平。ADF4350的每次锁存都需要一个32位字,从MicroConverter到设备上是通过写四个8位字节来完成的。当第四个字节被写入时,LE输入应被置为高电平以完成传送。ADuC812上的I/O口线也被用于控制电源关闭输入(CE)和锁定检测。当在所述方式下工作

18、时,ADuC812的最大SCLOCK是4MHz,这就意味着其可变输出频率的最大值是125kHz。表2C3、C2、C1的真值表控制位寄存器C3000011C2001100C1010101寄存器0(R0)寄存器1(R1)寄存器2(R2)寄存器3(R3)寄存器4(R4)寄存器5(R5)68中国科技核心期刊2009年4月第28卷第4期应用天地电路架构简单,可靠性高。由于ADF4350提供两个射频输出口,用户可对输出功率进行数字编程,而且它支持整数N分频与小数N分频模式,用户可通过软件控制方法确定最佳杂散与相位噪声性能,从而实现最佳的性能。另外由于ADF4350兼容了SPI串行接口,它与ADuC812接口适用于任何基于8051的微控制器,应用非常方便。在数字信号处理器中,ADF4350与ADSP221xx的连接实现了整块串行数据的传送,应用前景非常广泛。图6ADF4350和ADuC812接口连接参考文献用设计M.杨芳,翁木云译,北京:电子工业出版社,2006.2李智群,王志功.射频集成电路与系统M.北京:科学出版社,2008.路设计