应用LMX2370设计双锁相环频率合成器

1、        摘要：介绍了美国国家半导体公司新推出的低功耗单片双锁相环芯片LMX2370的结构、原理、特点，给出了LMX2370在V/UHF航空电台频率合成器中的应用实例。    关键词：锁相环  频率合成器  通信1 LMX2370简介LMX2370是美国国家半导体公司新推出的高性能、低功耗、双锁相环芯片，其主要特点有：宽工作电压2.75.5V；超低功耗（6mA）；低相位噪声层；双模前置分频比可编程（主环P=32/33或16/17，副环P=16/17或8/9）；工作频率高

2、，主环达2.5GHz(P=32/33)或1.2GHz(P=16/17)，副环达1.2GHz(P=16/17)或550MHz(P=8/9)。1.1 LMX2370的结构及工件原理LMX2370的内部结构如图1所示。它包含两路鉴相器、电流充电泵、可编程15bit参考分频器R和反馈频率分频器N。其中，N分频器由可编程前置分频器P、整数分频器B和吞除计数器A组成，N=PB+A。来自外部晶体振荡器的信号（OSCin）经R分频后，作为参考频率fr，加到鉴相器；压控振荡顺（VCO）的反馈频率fvco，经N分频后，也加到鉴相器。鉴相器对两输入信号进行相位比较我，驱动电流充电泵输出误差信号，经片外环路滤波器滤后

3、，形成调谐电压，调整VCO频率，直至环路锁定，fvco=N·fr，此时锁定检测（LD）为高电平。1.2 LMX2370引脚功能LMX2370的封装形式有20脚TSSOP和24脚CSP。各引脚功能如表1所示。表1引脚号引脚名称引脚功能1Vcc1主环电源电压，允许范围为2.75.5V。要求Vcc1=Vcc2。2Vp1主环内置充电泵电源电压，要求Vp1Vcc。3CPO1内环内置充电泵输出。4GND主环数字地。5FIN1主不前置分频器输入，来自VCO1的小信号（100dBm）。6FIN1b主环前置分频器互补输入。7GND主环模拟地。8OSCin外部参考振荡器输出（250MHz)。9GND副环

4、数字地。10FOLD多路选择器输出。11Clock时钟输入。12Data二进制串行数据输入。13LE锁存使能输入。14Vpc时钟、数据和使能输入电路的电源电压。15GND副环模拟地。16FIN2副环前置分频器输入，来自VCO2的小信号（100dBm)。17GND副环数字地。18CPO2副环内置充电泵输出。19Vp2副环内置充电泵电源电压，要求Vp2Vcc。20Vcc2副环电源电压。要求Vcc2=Vcc1。1.3 LMX2370的三线串行接口及编程数据格式LMX2370提供了符合MICROWIRE TM协议的三线串行接口线：时钟、数据、使能。在时钟上升沿，数据移入位寄存器，最高有效位（MBS）先

5、入；在使能上升沿，移位寄存器的22位数据将锁存到串行数据最后2位（地址位）所指定的锁存器。22位串行编程数据格式如表2所示。表2MSB                                       

6、;                                           LBS数  据  区地址区21201918171615141312111

7、09876543210副R锁存器LD1LD0CPO2R2计数器R14.R0 00三态电流极性副N锁存器休眠P2B2计数器B12.B0A2计数器A4.A001主R锁存器LD3LD2CPO1R1计数器R14.R010三态电流极性主N锁存器休眠P1B1计数器B12.B0A1计数器A4.A011（1）Bit1和Bit0是4个锁存器（主环的N和R锁存器，副环的N和R锁存器）的地址。（2）反馈频率分频比N=PB+A，A的分频比范围为031，B的分频比范围为38191。要求BA，NNmin=P·(P-1)。参考分频比R的范围为232767，但R的选择必须使fr10MHz。（3）R锁存器中，Bit1

8、9用于选择充电泵输出方式，Bit19=0为正常方式，Bit19=1为三态方式。Bit18用于选择充电泵输出电流幅度，Bit18=0选择±1mA，Bit18=1选择±4mA。Bit17用于选择鉴相器极性，VCO压控系数为负时选择Bit17=0,压控系数为正时选择Bit17=1。Bit21和Bit20（分别记为LD3，LD2、LD1、LD0）用于选择FOLD输出方式，当LD3LD2LD1LD0编程为0001时，FOLD输出主环锁定信号；编程为0100时，FOLD输出副环的锁定信号；编程为0101时，FOLD输出主环和副环锁定“与”信号；其它编码组合用于输出鉴相器输入端的频率信号

9、。（4）N锁存器中，Bit20用于选择前置分频比P，对主环，Bit20=0选择16/17，Bit20=1tfrc32/33;对副环，Bit20=0选择8/9，Bit20=1选择16/17。Bit21用于选择电源工作方式，Bit21=0选择正常方式，Bit21=1选择省电（体眠）方式。2 LMX2370应用举例这里，以某型V/UHF航空收发信机为例，说明LMX2370在该设备频率合成器中的应用。2.1 V/UHF航空收发信机频率合成器要求该收发信机的收发工作频率为30399.975MHz，频率间隔为25kHz，频率稳定度为±1ppm；第一中频为900Mz，第二中频为20MHz或70Mz

10、。一本振为9301299.9MHz，频率间隔为100kHz；二本振为829.925830MHz或879.925880MHz，频率间隔为25kHz。2.2 合成器电路设计依据频率合成器的要求，选择LMX2370作业核心芯片，外接晶体振荡器、无源环路滤波器和VCO，构成如图2所示的电路。2.2.1 晶体振荡器N7选用8MHz温被晶体振荡器，其频率稳定度为±1ppm。2.2.2 VCON3（VCO1）和N5（VCO2）选用HE403.HE403的电源电压为12V，工作频率范围为8001500MHz，调谐电压范围为020V，输出功率13dBm，频偏10kHz时相位噪声为-100dBc/Hz。

11、2.2.3 LMX2370的编程LMX2370的编程数据、时钟、使能信号由微控制器（87C552）提供。设置主环R=80，副环R=320，于是主环fr1=100kHz，副环fr2=25kHz。由fvco1和fr1，可计算出主环的N=930012999;由fvco2和fr2，可计算出副环的N=3311735200。前置分频比P的选择，需考虑VCO的频率范围且满足NNmin=P·(P-1)的原则。依据主、副环的VCO频率和分频比N，选择主环P1=32/33，副环P2=16/17。选择CPO的极性为正（因HE403的压控系数为正），电流幅度为±4mA，三态输出方式；设置LD3LD

12、2LD1LD0=0101，即选择FOLD输出双环综合锁定信号。2.2.4 锁定检测电路在环路锁定时，FOLD输出高电平，但存在很窄的负脉冲。为此，设置了由T1组成的FOLD信号处理电路。双环均锁定时，“合成器自检”输出线为稳定的低电平，该信号送微控制器，供电台自检状态使用。2.2.5 环路滤波器环路滤波器的设计主要是确定合理的环路带宽。本合成器的锁定时间要求不高（不超过2ms），但需尽量降低噪声。为此选择三阶无源滤波器（主环中的C15、C16、R1、R5和C17，副环中的C24、C25、R8、R9和C26），以增大对鉴相频率泄漏干扰的抑制。在主环中，VCO1输出频率1300MHz所需的调谐电压

13、约12V，而环路滤波器的最大输出电压只有5V，为此，在环路滤波器插入了一级直流放大器（Av=3）。已知主环参数：Kvco=50MHz/V,K=4mA,fr=100kHz；选择：主环路带宽为10kHz，相位裕度为45°，R5、C17对100kHz鉴相频率泄漏干扰的附加衰减为20dB;依据锁相环的相位模型和环路滤波器元件参数计算式（详见参考文献2），得出主环环路滤波器的各元件参数如图2所示；又知副环参数：Kvco=50MHz/V，K=4mA,fr=25kHz；选择副环路带宽为5kHz，相位裕度为45°，R9、C26对25kHz附加衰减为20dB,同理可计算出副环滤波器各元件参数如图2所示。2.2.6 VCO输出级选用DS323三路功率分配器作为VCO输出级。DS323的三路输