高性能鎖相芯片ADF4113的工作原理及應用電路分析

鎖相環(ｐｈａｓｅｌｏｃｋｅｄｌｏｏｐ)是一種建立在相位負反饋基礎之上的閉環控制系統，對相位噪聲和雜散具有很好的抑制作用，因此在電視、儀器、通信等許多領域得到了廣泛的應用。ＡＤＩ公司生產的ＡＤＦ４１１３的最大ＲＦ輸入頻率可達４ＧＨｚ，內置可編程預分頻器，具有電荷泵電流編程功能，可應用于無線射頻通信系統基站和手機、ＷＬＡＮ以及通信檢測設備、ＣＡＴＶ設備中，是一款性價比很高的電荷泵鎖相芯片。

１、主要性能及工作原理

ＡＤＦ４１１３可用于無線射頻通信系統基站、手機、ＷＬＡＮ、通信檢測設備及ＣＡＴＶ設備中，其主要性能特點如下：

●工作電壓：２．７～５．５Ｖ，同時還提供外部可調的電荷泵電壓調節功能；

●最高鑒相芯片５５ＭＨｚ，最高ＲＦ輸入頻率達４ＧＨｚ；

●具有四組可編程雙模分頻器８／９、１６／１９、３２／３３、６４／６５；

●內置可編程電荷泵電流和可編程反沖（ａｎｔｉｂａｃｋｌａｓｈ）脈寬功能；

●編程控制采用３線串行接口；

●能夠進行模擬和數字鎖定檢測；

●軟硬件斷電模式；

●具有良好的相位噪聲參數，鑒相頻率為２００ｋＨｚ時，相噪基底為－１６４ｄＢｃ／Ｈｚ；輸出９００ＭＨｚ時，相噪可達－９１ｄＢｃ／Ｈｚ＠１ｋＨｚ；輸出１９６０ＭＨｚ時相噪為－８５ｄＢｃ／Ｈｚ＠１ｋＨｚ；鑒相頻率１ＭＨｚ、輸出３１００ＭＨｚ時相噪為－８６ｄＢｃ／Ｈｚ＠１ｋＨｚ。

圖１所示為ＡＤＦ４１１３的原理框圖，它由一個低噪聲數字鑒相器、一個高精度電荷泵、一個可編程參考分頻器（Ｒ分頻器）、一個可編程Ａ、Ｂ計數器以及一個雙模分頻器（Ｐ／Ｐ＋１）組成。６位Ａ計數器、１３位Ｂ計數器與雙模分頻器（Ｐ／Ｐ＋１）共同組成了Ｎ分頻器，分頻比Ｎ＝ＢＰ＋Ａ。只需外加一個環路濾波器和壓控振蕩器（ＶＣＯ），就可以構成一個完整的鎖相環電路。輸出頻率為：ｆＶＣＯ＝Ｎ（ｆＲＥＦ／Ｒ），其中，ｆＲＥＦ為參考頻率，頻率步進等于ｆＲＥＦ／Ｒ。

高性能鎖相芯片ADF4113的工作原理及應用電路分析

２、引腳功能

ＡＤＦ４１１３有ＴＳＳＯＰ和ＬＦＣＳＰ兩種封裝形式，引腳排列如圖２所示。各引腳功能如下：

ＲＳＥＴ：用來設置最大電荷泵輸出電流，外接一個電阻ＲＳＥＴ并連接至ＣＰＧＮＤ，換算關系為：ＩＣＰｍａｘ＝２３．５／ＲＳＥＴ（Ｍａ）；

ＣＰ：電荷泵輸出，接環路濾波器；

ＣＰＧＮＤ：電荷泵地；

ＡＧＮＤ：模擬地；

ＲＦＩＮＢ：ＲＦ互補輸入，一般接一個１００ｐＦ的去耦電容；

ＲＦＩＮＡ：ＲＦ輸入（來自ＶＣＯ的ＲＦ信號耦合輸入）；

ＡＶＤＤ：模擬電源，電壓范圍為：２．７～５．５Ｖ；去耦電容應盡量靠近該引腳；ＡＶＤＤ必須和ＤＶＤＤ一致；

ＲＥＦＩＮ：參考晶振輸入；

ＤＧＮＤ：數字地；

ＣＥ：芯片使能端，邏輯“１”有效；

ＣＬＫ：串行時鐘輸入端，在每個ＣＬＫ的上升沿，串行數據鎖入寄存器；

ＤＡＴＡ：串行數據輸入端，首先裝入的是最高有效位ＭＳＢ，控制位在最低兩位設置；

ＬＥ：加載使能，該位為邏輯“１”時，存儲在２４位移位寄存器中的數據將全部裝入指定的鎖存器中，鎖存器的選擇由控制位來決定；

ＭＵＸＯＵＴ：模擬或數字鎖定檢測端；

ＤＶＤＤ：數字電源，２．７～５．５Ｖ，去耦電容應盡量靠近該引腳；ＤＶＤＤ大小必須和ＡＶＤＤ一致；

ＶＰ：電荷泵電源，應大于或等于ＶＤＤ，最高可到６Ｖ。

３、編程控制

ＡＤＦ４１１３的數字部分包括一個２４位輸入移位寄存器、一個１４位Ｒ計數器和一個１９位Ｎ計數器（含Ａ、Ｂ計數器）。圖３給出了數據輸入的時序圖。數據（ＤＡＴＡ）在每個時鐘（ＣＬＫ）的上升沿從ＭＳＢ（最高有效位）開始依次寫入２４位移位寄存器中，直到ＬＳＢ位寫入完成之后，由來自ＬＥ的上升沿將存儲在２４位移位寄存器中的數據一次性鎖存入目標寄存器（包括Ｒ計數鎖存器、Ｎ計數鎖存器、功能鎖存器以及初始化鎖存器），接著再進行下一個目標寄存器的初始化工作。目標寄存器的選擇由移位寄存器中的最末兩位ＤＢ１、ＤＢ０來決定。

４、應用電路

圖４是利用ＡＤＦ４１１３設計的２．５ＧＨｚ鎖相環電路，其中單片機選用Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司的ＰＩＣ１６Ｆ８７４，串行數據采用ＳＰＩ方式寫入；ＶＣＯ選用Ｍｉｎｉ公司的ＲＯＳ－３０００Ｖ。芯片使能端ＣＥ直接與電源連接，鑒相頻率ｆＰＤ取２５ＭＨｚ，５０ＭＨｚ參考晶振從ＲＥＦＩＮ輸入，因此參考分頻比Ｒ＝２；ＶＣＯ分兩路輸出，一路作為頻綜輸出，另外一路輸出至ＡＤＦ４１１３的ＲＦＩＮＡ端，經Ｎ分頻后與來自Ｒ分頻器的參考頻率進行鑒相并產生一個誤差信號，該誤差信號從ＣＰ輸出經有源三階環路濾波后驅動ＶＣＯ，最終鎖定在２．５ＧＨｚ的頻點上。調整環路濾波電路中的電阻和電容可以改變環路參數，阻尼系數ζ一般取０．７０７。這里分頻比Ｎ＝２５００ＭＨｚ／２５ＭＨｚ＝１００，Ｐ取１６，由Ｎ＝ＢＰ＋Ａ得Ｂ＝６，Ａ＝４。４個２４位鎖存器的初始化設置如下：

ＦＵＮＣＴＩＯＮ鎖存器：０１０１１１１１１０００００００１００１００１０；

ＩＮＩＴＩＡＬＩＺＡＴＩＯＮ鎖存器：０１０１１１１１１０００００００１００１００１１；

Ｒ計數鎖存器：００００００００００００００００００００１０００；

ＡＢ計數鎖存器：０００００００００００００１１００００１０００１。

最后測得電路在２．５ＧＨｚ輸出時的相位噪聲為－９３ｄＢｃ／Ｈｚ＠５ｋＨｚ，測試頻譜如圖５所示。