LMX2624-SP：高性能寬帶頻率合成器的深度剖析與設(shè)計(jì)指南

在當(dāng)今的電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，高性能頻率合成器起著至關(guān)重要的作用。特別是在空間通信、雷達(dá)系統(tǒng)等對(duì)頻率精度和穩(wěn)定性要求極高的應(yīng)用中，選擇一款合適的頻率合成器更是關(guān)鍵。本文將對(duì)TI公司的LMX2624-SP寬帶頻率合成器展開詳細(xì)探討，涵蓋其特性、功能、應(yīng)用以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)等方面。

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一、產(chǎn)品特性概述

LMX2624-SP具有一系列令人矚目的特性，使其成為眾多高性能應(yīng)用的理想選擇。

1. 抗輻射性能

• 該產(chǎn)品總電離劑量（TID）可達(dá)100Krad（無ELDRS效應(yīng)），單粒子閂鎖（SEL）免疫能力高達(dá) (75 MeV - cm^{2} / mg)，單粒子功能中斷（SEFI）免疫能力同樣為 (75 MeV - cm^{2} / mg)。這意味著它在輻射環(huán)境下具有出色的穩(wěn)定性和可靠性，非常適合空間應(yīng)用。

  2. 寬帶頻率范圍

• 其輸出頻率范圍為5MHz至28GHz，能夠滿足多種不同頻率需求的應(yīng)用場(chǎng)景。例如在空間通信中，可以覆蓋從低頻到高頻的多個(gè)頻段，為通信系統(tǒng)提供了更廣泛的頻率選擇。

  3. 低噪聲性能

• 在24GHz載波下，100kHz偏移處的相位噪聲低至 -101dBc/Hz，24GHz（1kHz至300MHz）時(shí)的RMS抖動(dòng)為60fs。低噪聲特性對(duì)于需要高精度信號(hào)的應(yīng)用，如雷達(dá)系統(tǒng)和高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器時(shí)鐘，具有重要意義。

  4. 其他特性

• 具有可編程輸出功率、支持多設(shè)備輸出相位同步、獨(dú)立的RFoutA和RFoutB靜音引腳（靜音/取消靜音時(shí)間為200ns）、支持9ps分辨率的可編程延遲的SYSREF信號(hào)等。這些特性為設(shè)計(jì)人員提供了更多的靈活性和控制能力。

二、產(chǎn)品功能詳解

1. 參考振蕩器輸入

• OSCin引腳作為頻率參考輸入，輸入為高阻抗，需要在引腳處進(jìn)行交流耦合。支持單端或差分時(shí)鐘輸入，便于與高性能系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)備（如TI的LMK系列）接口。注意，在進(jìn)行VCO校準(zhǔn)編程時(shí)，必須在OSCin引腳施加合適的參考信號(hào)。

  2. 參考路徑

• 參考路徑由OSCin倍頻器（OSC_2X）、預(yù)R分頻器（PLL_R_PRE）和后R分頻器（PLL_R）組成。
  • OSCin倍頻器可將低輸入頻率翻倍，增加鑒相器頻率，有助于改善相位噪聲和避免雜散。使用時(shí)需注意輸入信號(hào)的占空比要求。
  • 預(yù)R分頻器可降低輸入頻率，以滿足后R分頻器的最大250MHz輸入頻率限制。
  • 后R分頻器可進(jìn)一步分頻至鑒相器頻率，當(dāng)使用該分頻器時(shí)，輸入頻率限制為250MHz。

    3. PLL鑒相器和電荷泵

• 鑒相器比較后R分頻器和N分頻器的輸出，并生成與相位誤差對(duì)應(yīng)的校正電流，直到兩個(gè)信號(hào)相位對(duì)齊。電荷泵電流可通過軟件編程設(shè)置為多個(gè)不同級(jí)別，從而調(diào)整PLL的閉環(huán)帶寬。

  4. N分頻器和小數(shù)電路

• N分頻器包括小數(shù)補(bǔ)償，可實(shí)現(xiàn)從1到 ((2^{32} - 1)) 的任意小數(shù)分母。總N分頻器值由整數(shù)部分和小數(shù)部分組成，N、NUM和DEN在SPI模式下可通過軟件編程。在SYNC模式下，存在一個(gè)額外的分頻器。此外，N分頻器根據(jù)調(diào)制器階數(shù)和VCO頻率有最小值限制。

  5. VCO（壓控振蕩器）

• LMX2624-SP集成了一個(gè)完整的VCO，將環(huán)路濾波器的電壓轉(zhuǎn)換為頻率。為了降低VCO調(diào)諧增益和改善相位噪聲性能，VCO頻率范圍被劃分為多個(gè)頻段，需要進(jìn)行頻率校準(zhǔn)以確定正確的頻段。同時(shí)，VCO還具有內(nèi)部幅度校準(zhǔn)算法。

  6. 通道分頻器

• 為了實(shí)現(xiàn)低于VCO下限（7500MHz）的頻率輸出，可使用通道分頻器。通道分頻器由六個(gè)分段組成，總分頻值為各分段分頻值的乘積，并非所有值都有效。使用時(shí)需注意頻率限制和相關(guān)設(shè)置。

  7. 輸出靜音和乒乓操作

• 輸出緩沖器可通過MUTE引腳進(jìn)行靜音或取消靜音操作，其極性在SPI模式下可編程。當(dāng)輸出靜音時(shí)，PLL保持鎖定狀態(tài)，可用于組合多個(gè)合成器以實(shí)現(xiàn)更快的鎖定時(shí)間。MuteA和MuteB引腳可獨(dú)立控制RFOUTA和RFOUTB的靜音。

  8. 輸出頻率倍頻器

• 頻率倍頻器可根據(jù)OUTMUX2、OUTMUX1和OUTMUX0設(shè)置，在RFOUTA和RFOUTB產(chǎn)生兩倍VCO頻率的輸出。為了最小化次諧波和其他不需要的諧波，有一個(gè)可調(diào)濾波器，其校準(zhǔn)會(huì)在VCO校準(zhǔn)完成時(shí)自動(dòng)觸發(fā)。

  9. 輸出緩沖器

• RF輸出緩沖器具有內(nèi)部50Ω端接，輸出功率可編程設(shè)置為不同級(jí)別，甚至在保持PLL鎖定的情況下禁用。

  10. 斷電模式

• 可通過POWERDOWN位或CAL引腳對(duì)LMX2624-SP進(jìn)行上電和斷電操作。進(jìn)入斷電模式后，若要恢復(fù)正常操作，需重新設(shè)置相關(guān)位并進(jìn)行VCO校準(zhǔn)。

  11. 引腳模式整數(shù)頻率生成

• 該模式可在無需串行編程的情況下生成固定頻率輸出，通過引腳設(shè)置整數(shù)N分頻器和通道分頻器。使用時(shí)需遵循一定的規(guī)則，如設(shè)置引腳模式、控制電源上升時(shí)間、處理未使用引腳等。

  12. 相位同步

• SYNC引腳可使LMX2624-SP實(shí)現(xiàn)相位同步，使OSCin信號(hào)上升沿到輸出信號(hào)的延遲具有確定性。根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，相位同步可分為不同類別，使用時(shí)需遵循相應(yīng)的步驟和注意事項(xiàng)。

  13. 相位調(diào)整

• MASH_SEED字可通過Σ - Δ調(diào)制器相對(duì)于輸入?yún)⒖家苿?dòng)輸出信號(hào)相位。使用時(shí)需滿足一定條件，如MASH_ORDER必須大于零，不同階數(shù)的調(diào)制器對(duì)PLL_N有不同的最小值要求等。

  14. SYSREF

• LMX2624-SP可生成與 (f_{OUT}) 同步且具有可編程延遲的SYSREF輸出信號(hào)，輸出可以是單脈沖、脈沖序列或連續(xù)脈沖流。使用SYSREF功能時(shí)，PLL必須先處于SYNC模式。

三、應(yīng)用及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 應(yīng)用領(lǐng)域

• 空間通信有效載荷：可覆蓋Ku/Ka頻段，為空間通信提供穩(wěn)定的頻率源。
• 空間雷達(dá)系統(tǒng)：低噪聲和寬頻率范圍特性有助于提高雷達(dá)系統(tǒng)的性能。
• 命令和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：滿足系統(tǒng)對(duì)頻率精度和穩(wěn)定性的要求。
• 高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器時(shí)鐘：支持JESD204B/C標(biāo)準(zhǔn)，為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器提供精確的時(shí)鐘信號(hào)。
• 混頻器本振：可提供高達(dá)28GHz的頻率，滿足混頻器的需求。

  2. 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

  OSCin配置

• OSCin支持單端或差分時(shí)鐘輸入，必須在引腳前串聯(lián)交流耦合電容器。建議在差分走線中使用終端并聯(lián)電阻進(jìn)行端接，并確保OSCin和其互補(bǔ)端在布局上匹配。

  OSCin壓擺率

• OSCin信號(hào)的壓擺率對(duì)LMX2624-SP的雜散和相位噪聲有影響，一般來說，高壓擺率、低幅度的信號(hào)（如LVDS）可獲得最佳性能。

  RF輸出緩沖器功率控制

• OUTA_PWR和OUTB_PWR寄存器控制輸出驅(qū)動(dòng)電流，建議將OUTx_PWR設(shè)置保持在31或以下，以減少電流消耗和避免過高的輸出功率。通常，將OUTx_PWR設(shè)置在15至25范圍內(nèi)可獲得最佳噪聲地板。

  RF輸出緩沖器上拉

• 該器件內(nèi)部集成了50Ω上拉電阻，用于差分輸出RFOUTA和RFOUTB。

  RF輸出處理

• 無論差分輸出的兩側(cè)是否都使用，兩側(cè)必須看到相似的負(fù)載。對(duì)于未使用的輸出，應(yīng)確保其阻抗與使用側(cè)相似，以最小化諧波并獲得最佳輸出功率。

  電源供應(yīng)

• 建議在引腳附近放置旁路電容器，以減少電源噪聲的影響。如果對(duì)小數(shù)雜散較為關(guān)注，可在每個(gè)電源引腳使用鐵氧體磁珠來降低雜散。

  布局

• 布局時(shí)應(yīng)遵循一些特定的指導(dǎo)原則，如將GND引腳連接到DAP，對(duì)OSCin引腳進(jìn)行交流耦合，合理放置Vtune引腳附近的電容器，使輸出上拉組件靠近引腳等。同時(shí)，要注意在輻射環(huán)境下的使用條件，包括總電離劑量和單粒子效應(yīng)等。

四、總結(jié)

LMX2624-SP是一款功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越的寬帶頻率合成器，具有廣泛的應(yīng)用前景。在設(shè)計(jì)過程中，工程師需要深入了解其特性和功能，遵循設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)，確保設(shè)計(jì)的系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。你在使用這款合成器的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。