探索LMX2820 22.6-GHz寬帶PLLatinum? RF合成器的卓越性能

在當今電子技術飛速發展的時代，高性能的RF合成器對于眾多領域的應用至關重要。今天我們要深入探討的是德州儀器（TI）的LMX2820 22.6-GHz寬帶PLLatinum? RF合成器，它具備多種強大特性，能滿足雷達、5G等領域的嚴格需求。

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一、LMX2820的核心特性

1.1 頻率輸出與頻譜純度

• 寬頻率范圍：輸出頻率覆蓋45 MHz至22.6 GHz，如此寬泛的范圍使其能夠適用于各種不同的應用場景。無論是低頻的通信需求，還是高頻的毫米波應用，LMX2820都能輕松應對。
• 低抖動性能：在6 GHz時實現36-fs rms抖動（12 kHz – 95 MHz），這一低抖動特性對于需要高精度信號的應用，如高速數據轉換器時鐘，尤為關鍵。它能有效減少信號失真，提高系統的整體性能。
• 低雜散輸出： -95 dBc整數模式雜散（ (f_{PD}=100 MHz) ），保證了輸出信號的高純度，降低了雜散信號對系統其他部分的干擾。

  1.2 高性能PLL

• 高優值：優值達到 -236 dBc/Hz，反映了其在低噪聲和低功耗方面的出色性能。
• 低1/f噪聲：歸一化1/f噪聲為 -134 dBc/Hz，進一步提升了PLL的性能。
• 高鑒相器頻率：支持400-MHz整數模式和300-MHz分數模式，能夠提供更精確的頻率控制。

  1.3 其他特性

• 快速VCO校準：2.5-μs的快速VCO校準時間，滿足了需要快速切換頻率的應用需求，例如雷達系統中的頻率跳變。
• 靜音功能：靜音引腳具有200-ns的靜音/取消靜音時間，可靈活控制輸出信號的開啟和關閉。
• 外部VCO支持：支持高達22.6-GHz的外部VCO，為用戶提供了更多的頻率選擇和設計靈活性。
• 多設備相位同步：能夠同步多個設備的輸出相位，適用于需要多信號同步的復雜系統。
• JESD204B支持：具備兩個差分RF輸出和一個差分SYSREF輸出，支持JESD204B標準，可用于高速數據轉換器的時鐘源。

二、應用領域廣泛

2.1 雷達與電子戰

在雷達系統中，LMX2820的快速頻率切換和低抖動特性能夠滿足雷達對高精度、高速度的要求。它可以為雷達提供穩定的本振信號，提高雷達的探測精度和抗干擾能力。在電子戰領域，其寬頻率范圍和低雜散輸出有助于實現信號的精確調制和解調，增強電子對抗能力。

2.2 5G與毫米波無線基礎設施

5G通信對信號的頻率精度和穩定性要求極高。LMX2820的高性能PLL和寬頻率范圍能夠為5G基站和終端設備提供高質量的時鐘信號，確保數據的準確傳輸。在毫米波頻段，它的低抖動和低雜散特性更是不可或缺，有助于提高毫米波通信的可靠性和效率。

2.3 微波回傳

微波回傳是無線通信網絡中的重要環節，需要穩定的信號傳輸。LMX2820的高性能輸出能夠為微波回傳設備提供精確的時鐘，保證數據的可靠傳輸，減少數據丟包和誤碼率。

2.4 測試與測量設備

測試與測量設備需要高精度的信號源來進行各種測試。LMX2820的低抖動、低雜散和寬頻率范圍特性使其成為測試與測量設備的理想選擇，能夠提供準確的測試信號，提高測試結果的可靠性。

2.5 高速數據轉換器時鐘

高速數據轉換器對時鐘信號的精度和穩定性要求極高。LMX2820的低抖動特性能夠為高速數據轉換器提供穩定的時鐘，確保數據的準確采集和轉換。

三、詳細設計剖析

3.1 參考振蕩器輸入

OSCIN引腳作為頻率參考輸入，具有高阻抗特性，需要使用交流耦合電容。它既支持CMOS時鐘或XO驅動的單端輸入，也支持差分時鐘輸入，方便與高性能系統時鐘設備接口，如TI的LMK系列時鐘設備。由于OSCIN信號用于VCO校準，在VCO校準期間必須提供合適的參考信號。

3.2 輸入路徑設計

• OSCIN倍頻器（OSC_2X）：可以將低頻率的OSCIN信號倍增至500 MHz，有助于提高鑒相器頻率，改善相位噪聲并減少雜散。但使用時需要注意輸入信號的占空比應接近50%，否則雜散會增加。此外，使用該倍頻器會使PLL閃爍噪聲和優值降低約1 dB，但鑒相器頻率提高帶來的好處更為顯著。
• 預R分頻器（PLL_R_PRE）：當輸入頻率過高，超出可編程乘法器（MULT）或后R分頻器的輸入范圍時，預R分頻器可以降低輸入頻率。
• 可編程輸入乘法器（MULT）：可將頻率乘以3、4、5、6或7，用于避免整數邊界雜散。需要注意的是，它不能與輸入路徑倍頻器同時使用，且會使PLL優值降低約8 dB，主要用于雜散抑制而非改善PLL噪聲。當VCO頻率與OSCIN頻率的倍數相差較大時，該乘法器最為有效。
• R分頻器（PLL_R）：進一步將頻率分頻至鑒相器頻率。當 (PLL_R=2) 時，最大輸入頻率限制為500 MHz；當 (PLL_R>2) 時，最大輸入頻率限制為250 MHz。

  3.3 PLL鑒相器與電荷泵

  鑒相器比較R分頻器和N分頻器的輸出，生成與相位誤差對應的校正電流，直至兩個信號相位對齊。電荷泵電流可通過軟件編程設置為多個不同級別，從而調整PLL的閉環帶寬。鑒相器的極性也可配置，以適應有源環路濾波器的應用。

  3.4 N分頻器與分數電路

• 整數N分頻部分（PLL_N）：總N分頻值由整數部分和分數部分組成。使用內部VCO時，最小N分頻值取決于調制器階數和VCO頻率；使用外部VCO時，最小N分頻值也有所不同。
• 分數N分頻部分（PLL_NUM和PLL_DEN）：N分頻器包含分數補償，可實現從1到 ((2^{32}-1)) 的任意分數分母。分母越大，輸出的分辨率越高。
• 調制器階數（MASH_ORDER）：分數調制器階數可編程，對雜散有影響。較高階的調制器可將低頻雜散能量推向高頻，但會增加噪聲并提高最小N分頻比。根據不同的應用需求，可以選擇合適的調制器階數。

  3.5 LD引腳鎖定檢測

  鎖定檢測可大致指示PLL是否鎖定。支持兩種類型的鎖定檢測：校準狀態和間接vtune。校準狀態鎖定檢測在VCO開始校準時為低電平；間接vtune鎖定檢測通過創建一個模擬VTUNE引腳實際電壓的內部電壓來工作。兩種檢測方式也可以結合使用。

  3.6 MUXOUT引腳與讀回功能

  通過MUXOUT引腳可以讀回設備的相關狀態信息，包括原始寄存器值、VCO鎖定檢測狀態、VCO校準信息和芯片溫度等。讀回芯片溫度時，測量精度為 ± 5 °C。

  3.7 內部VCO

  LMX2820集成了一個完整的VCO，它將環路濾波器的電壓轉換為頻率。VCO頻率與其他頻率的關系為 (f{V C O}=f{P D} times(P L L _ N+P L L _ N U M / P L L _ D E N)) 。

• VCO校準：為了降低VCO調諧增益并改善相位噪聲性能，VCO頻率范圍被劃分為多個頻段。頻率校準例程在R0寄存器中設置 (FCAL_EN =1) 時啟動，同時VCO還有內部幅度校準算法，其最佳內部設置與溫度有關。
• VCO增益與范圍：VCO增益會因不同的VCO核心、溫度和工藝而有所變化，但可以根據相關表格大致估算。

  3.8 通道分頻器

  通道分頻器由多個分段和抽頭點組成，RFOUTA和RFOUTB共享該分頻器。一般情況下，兩個輸出的分頻值可以獨立設置，但如果其中一個輸出選擇128分頻，則另一個輸出也必須選擇128分頻。當兩個輸出頻率不同時，較高頻率輸出會在與較低頻率輸出相同的頻率偏移處產生次諧波雜散。

  3.9 輸出頻率倍頻器

  頻率倍頻器用于產生兩倍于VCO頻率的輸出信號。當VCO頻率翻倍時，會有基頻（非倍頻）泄漏到輸出端，即次諧波（0.5X）。為了減少這些次諧波，有一個可調濾波器會跟蹤輸出頻率，濾除次諧波和其他不需要的諧波。該濾波器的校準在VCO校準時自動觸發。

  3.10 輸出緩沖器

  輸出緩沖器采用開集電極架構，內部集成了50-Ω上拉電阻。在低頻時，輸出阻抗可近似為50 Ω，但在高頻時，寄生效應可能會導致輸出阻抗發生變化。通過OUTx_PWR編程字段可以設置發射極電流，調整輸出功率電平。

  3.11 掉電模式

  可以使用CE引腳或POWERDOWN位對LMX2820進行上電和掉電操作。在掉電模式下，大部分設備功能關閉，但設備會保留編程信息，前提是電源引腳仍有電源供應。需要注意的是，在掉電模式下編程寄存器R0并設置 (POWERDOWN) 和 (FCAL_EN=1) 會重新校準VCO。

  3.12 多設備相位同步

  在許多應用中，需要同步脈沖來確保設備具有確定的相位。相位同步的要求取決于特定的設置條件。當同步脈沖的時序要求不嚴格時，可以通過軟件切換INPIN_IGNORE位來實現；當時序要求嚴格時，則必須通過引腳實現，并且OSCIN引腳的建立和保持時間非常關鍵。

• SYNC類別：根據輸入和輸出頻率的不同，相位同步分為不同的類別，每個類別對頻率和設備配置有不同的要求。
• 相位調整：可以使用MASH_SEED字通過sigma-delta調制器來改變輸出信號相對于輸入參考的相位。相位調整分為靜態和動態兩種方式，靜態調整通過設置MASH_SEED字并切換MASH_RST_N位來實現，動態調整則通過重復編程MASH_SEED字來累積相位值。在高頻輸出時，可能需要進行一些微調以確保相位同步的準確性。

  3.13 SYSREF功能

  LMX2820可以生成與 (f_{OUT }) 同步且具有可編程延遲的SYSREF輸出信號。該輸出可以是單脈沖、脈沖序列或連續脈沖流。使用SYSREF功能時，PLL必須首先通過設置 (PHASE_SYNC_EN=1) 進入SYNC模式。通過設置SYSREF_DIV_PRE和SYSREF_DIV分頻器以及JESD_DACx_CTRL字，可以實現對SYSREF信號的延遲編程。

  3.14 快速VCO校準

  VCO校準時間可以通過多種方式減少，包括無輔助、部分輔助、全輔助和即時校準。即時校準可以在2.5 μs內快速校準VCO，并選擇相同的校準設置。初始化后，在不改變電源和鑒相器頻率的情況下，后續的頻率變化可以使用即時校準快速完成。

  3.15 雙緩沖（影子寄存器）

  雙緩沖（也稱為“影子寄存器”）允許用戶編程多個寄存器而不立即生效，直到R0寄存器被編程后，這些寄存器的設置才會生效。這對于需要快速改變頻率且需要多次寄存器寫入的應用非常有用。

  3.16 輸出靜音引腳與乒乓方法

  可以使用MUTE引腳對輸出緩沖器進行靜音或取消靜音操作，該引腳的極性可通過PINMUTE_POL位編程。輸出靜音時，PLL仍保持鎖定狀態，可用于組合多個合成器以實現更快的鎖定時間。

四、應用與實現要點

4.1 未使用引腳的處理

在某些應用中，并非所有引腳都需要使用。對于未使用的引腳，需要根據其類型進行適當處理。例如，單端輸入時，OSCIN_N引腳應通過50-Ω電阻交流耦合到地；單端輸出時，未使用的輸出引腳應端接到一個與使用的輸出負載相似的負載；未使用的輸入和輸出引腳可以懸空，并在軟件中關閉相應功能；未使用的數字輸入引腳應接地。

4.2 外部環路濾波器

LMX2820需要一個特定于應用的外部環路濾波器，可通過PLLatinum Sim進行配置。從VTUNE引腳向外看的阻抗對VCO相位噪聲有重要影響，特別是對于三階濾波器，該阻抗主要由C3決定；對于二階濾波器，主要由C1決定。為了獲得最佳的VCO相位噪聲，與該引腳并聯的電容應至少為1.5 nF，并應靠近VTUNE引腳放置。

4.3 即時校準的使用

即時校準可以使設備在2.5 μs內快速校準VCO，并選擇相同的校準設置。初始化步驟包括正常上電、編程INSTCAL_DLY、設置INSTCAL_EN、將設備設置為輸出5.65 GHz、編程INSTCAL_PLL_NUM、寫入R0寄存器啟動校準和等待鎖定檢測信號變高。初始化完成后，在不改變電源和鑒相器頻率的情況下，后續的頻率變化可以快速完成。

4.4 典型應用設計

以生成6-GHz輸出信號為例，從100-MHz時鐘源開始設計。首先選擇VCO頻率為6 GHz，然后選擇200-MHz的鑒相器頻率，通過使用OSC_2X倍頻器，使設備工作在整數模式下，以獲得最佳的相位噪聲性能。使用PLLatinum Sim軟件設計環路濾波器，得到各元件的值為：C1 = 390 pF，C2 = 68 nF，C3 = 1.8 nF，R2 = 68 Ω，R3 = 18 Ω。實際測量結果顯示，該設計實現了36 fs的抖動，性能出色。

4.5 初始化與上電時序

為了確保設備正常工作，需要遵循正確的上電時序。包括初始上電時的Power-on Reset（POR）電路復位、等待電源電壓達到最小值、手動進行軟件復位、按降序編程寄存器、等待內部LDO上電、再次編程R0寄存器啟動VCO校準、等待VCO校準完成和模擬PLL鎖定。

五、電源供應與布局建議

5.1 電源供應

如果對分數雜散有較高要求，可以在每個電源引腳使用鐵氧體磁珠來減少雜散。LMX2820集成了LDO，提高了對電源噪聲的抗干擾能力。可以使用外部DC-DC降壓轉換器（如TPS62150）為其供電。不同配置下各引腳的電流消耗有所不同，應根據實際情況進行電源設計。

5.2 布局準則

• 接地處理：GND引腳應通過封裝背面連接到DAP，確保良好的接地。
• OSCIN引腳：OSCIN引腳內部有偏置，必須進行交流耦合。
• SRREQ引腳：如果不使用SRREQ引腳，可將其接地到DAP。
• VTUNE引腳電容：為了在200 kHz至1 MHz范圍內獲得最佳的VCO相位噪聲，靠近VTUNE引腳的電容應至少為1.5 nF。如果需要限制環路帶寬，該電容值可以適當減小，但會犧牲VCO相位噪聲。
• 單端輸出：如果需要單端輸出，另一端應具有相同的負載。可以通過過孔將互補端路由到電路板的另一側，并使該負載與使用的一側等效。
• 熱管理：確保設備的DAP通過多個銅填充過孔良好接地，并使用與LMX2820暴露焊盤大小相同的散熱墊，添加過孔以提高散熱性能。
• 材料選擇：使用低損耗的介電材料（如Rogers 4350B）可以提高輸出功率。

六、總結

LMX2820 22.6-GHz寬帶PLLatinum? RF合成器憑借其卓越的性能、豐富的功能和靈活的設計，為雷達、5G、測試測量等眾多領域的應用提供了強大的支持。在實際應用中，我們需要根據具體需求，合理設計輸入路徑、PLL參數、VCO校準和電源供應等，同時注意布局準則，以充分發揮其性能優勢。電子工程師們在使用LMX2820時，需要深入理解其工作原理和特性，結合實際應用場景進行優化設計，從而實現高效、穩定的系統解決方案。你在使用類似合成器的過程中，遇到過哪些挑戰呢？不妨在評論區分享一下你的經驗和想法。