LMX243x PLLatinum? 雙高頻合成器：設(shè)計(jì)與應(yīng)用全解析

在射頻個(gè)人通信領(lǐng)域，頻率合成器起著至關(guān)重要的作用。今天我們要深入探討的是德州儀器（TI）的 LMX243x 系列產(chǎn)品，包括 LMX2430、LMX2433 和 LMX2434 這三款高性能頻率合成器。

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一、產(chǎn)品簡(jiǎn)介

LMX243x 采用專(zhuān)有數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)，能為射頻（RF）和中頻（IF）壓控振蕩器（VCO）生成非常穩(wěn)定、低噪聲的控制信號(hào)，可廣泛應(yīng)用于移動(dòng)手機(jī)、無(wú)繩電話、無(wú)線數(shù)據(jù)和有線電視調(diào)諧器等領(lǐng)域。

（一）產(chǎn)品特性

• 低電流消耗：不同型號(hào)在 RF/IF 模式下電流消耗各有不同。如 LMX2430 為 2.8 mA/ 1.4 mA，LMX2433 為 3.2 mA/ 2 mA，LMX2434 為 4.6 mA/ 2.4 mA，這種低功耗特性使其非常適合對(duì)功耗敏感的應(yīng)用場(chǎng)景。
• 寬電壓工作范圍：可在 2.25-V 至 2.75-V 的電壓下穩(wěn)定運(yùn)行，增加了產(chǎn)品在不同電源環(huán)境下的適用性。
• 靈活的電源管理：具備同步/異步掉電功能，方便工程師根據(jù)實(shí)際需求靈活管理設(shè)備的電源狀態(tài)。
• 多PLL選項(xiàng)：不同型號(hào)提供不同的 RF/IF 頻率范圍，如 LMX2430 為 3 GHz /0.8 GHz，LMX2433 為 3.6 GHz /1.7 GHz，LMX2434 為 5 GHz /2.5 GHz，能夠滿(mǎn)足多樣化的頻率需求。
• 可編程電荷泵電流：RF 和 IF 的電荷泵電流水平可在 1 mA 或 4 mA 之間進(jìn)行編程設(shè)置，以適應(yīng)不同的設(shè)計(jì)要求。
• 快速鎖定功能：集成了超時(shí)計(jì)數(shù)器，能實(shí)現(xiàn)快速鎖定，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。
• 數(shù)字濾波鎖定檢測(cè)輸出：提供準(zhǔn)確的鎖定狀態(tài)檢測(cè)，便于工程師實(shí)時(shí)掌握系統(tǒng)的工作狀態(tài)。
• 模擬鎖定檢測(cè)：具有推挽/開(kāi)漏兩種輸出方式，可根據(jù)實(shí)際電路設(shè)計(jì)進(jìn)行選擇。
• 1.8-V MICROWIRE 邏輯接口：方便與其他低電壓邏輯設(shè)備直接連接。

（二）封裝信息

LMX243x 提供兩種封裝形式，分別是 20 引腳的 ULGA（尺寸為 3.50 mm × 3.50 mm）和 20 引腳的 TSSOP（尺寸為 6.50 mm × 4.40 mm），工程師可以根據(jù)實(shí)際的 PCB 空間和組裝需求進(jìn)行選擇。

二、規(guī)格參數(shù)

（一）絕對(duì)最大額定值

• 電源電壓：任何引腳到地（GND）的電壓范圍為 -0.3 V 至 3.25 V，超出此范圍可能會(huì)對(duì)設(shè)備造成永久性損壞。
• 引腳溫度：焊接 4 秒時(shí)引腳溫度最大為 260 °C。
• 存儲(chǔ)溫度：存儲(chǔ)溫度范圍為 -65 °C 至 150 °C。

（二）推薦工作條件

• 電源電壓：推薦的電源電壓范圍為 2.25 V 至 2.75 V。
• 工作溫度：工作溫度范圍為 -40 °C 至 85 °C。

（三）熱信息

不同封裝形式的熱阻有所不同。例如，對(duì)于 ULGA 封裝，結(jié)到環(huán)境的熱阻為 80.9 °C/W，而 TSSOP 封裝的結(jié)到環(huán)境熱阻為 111.5 °C/W。在設(shè)計(jì)時(shí)，工程師需要考慮這些熱信息，以確保設(shè)備在正常工作溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。

（四）電氣特性

• 電源電流：不同型號(hào)在 RF 和 IF 合成器的電源電流上有差異。如 LMX2430 的 RF 合成器電源電流典型值為 2.8 mA，IF 合成器為 1.4 mA。
• 工作頻率：各型號(hào)的 RF 和 IF 工作頻率范圍不同。例如，LMX2434 的 RF 工作頻率在 RF_P 位為 0 或 1 時(shí)可達(dá) 1000 - 5000 MHz。
• 其他參數(shù)：還包括 N 分頻器范圍、R 分頻器范圍、相位檢測(cè)器頻率、輸入靈敏度、電荷泵輸出電流等多項(xiàng)電氣參數(shù)，這些參數(shù)對(duì)于設(shè)計(jì)和調(diào)試電路至關(guān)重要。

（五）時(shí)序要求

在使用 MICROWIRE 接口時(shí)，需要滿(mǎn)足特定的時(shí)序要求。例如，DATA 到 CLK 的建立時(shí)間最小為 50 ns，DATA 到 CLK 的保持時(shí)間最小為 10 ns 等。工程師在設(shè)計(jì)電路和編寫(xiě)控制程序時(shí)必須確保滿(mǎn)足這些時(shí)序要求，以保證數(shù)據(jù)的正確傳輸和設(shè)備的正常工作。

三、詳細(xì)功能描述

（一）基本工作原理

LMX243x 組成的基本鎖相環(huán)（PLL）配置包括一個(gè)高穩(wěn)定性的晶體參考振蕩器、頻率合成器（LMX243x）、壓控振蕩器（VCO）和一個(gè)無(wú)源環(huán)路濾波器。頻率合成器內(nèi)部包含相位檢測(cè)器、電流模式電荷泵、可編程參考 R 和反饋 N 分頻器。

其工作過(guò)程為：晶體參考信號(hào)通過(guò)參考分頻器分頻得到比較參考頻率 (f{r})，該信號(hào)與通過(guò)反饋分頻器對(duì) VCO 頻率分頻得到的反饋信號(hào) (f{p}) 一起輸入到相位/頻率檢測(cè)器（PFD）。PFD 檢測(cè)兩者的相位誤差，并輸出與相位誤差成正比的控制信號(hào)。電荷泵根據(jù)相位誤差的大小和方向?qū)㈦姾杀萌牖虮贸霏h(huán)路濾波器，環(huán)路濾波器將電荷轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的控制電壓施加到 VCO 上，使反饋信號(hào)的頻率和相位與參考信號(hào)匹配，最終 VCO 的頻率為比較頻率的 N 倍（N 為反饋分頻比）。

（二）各功能模塊

1. 參考振蕩器輸入：RF 和 IF PLL 的參考振蕩器頻率通過(guò) OSCin 引腳從外部參考源提供。參考緩沖電路支持 5 至 40 MHz 的輸入頻率，最小輸入靈敏度為 0.5 VPP，輸入閾值約為 Vcc/2，可由外部交流耦合源驅(qū)動(dòng)。通常，該引腳連接到晶體振蕩器的輸出。
2. 參考分頻器（R 計(jì)數(shù)器）：將參考輸入信號(hào)（OSCin）除以 R 因子，其輸出作為相位檢測(cè)器的參考輸入，即比較頻率。RF 和 IF 參考分頻器均由 15 位 CMOS 二進(jìn)制計(jì)數(shù)器組成，支持 3 至 32,767 的連續(xù)整數(shù)分頻比，且需確保最大相位比較頻率不超過(guò) 10 MHz。
3. 預(yù)分頻器：FinRF 和 FinIF 輸入引腳驅(qū)動(dòng)差分對(duì)放大器，其輸出驅(qū)動(dòng)雙模數(shù)配置的 D 型觸發(fā)器鏈，預(yù)分頻器的輸出用于時(shí)鐘后續(xù)的反饋分頻器。不同型號(hào)的 RF 合成器可選擇不同的預(yù)分頻比，如 LMX2434 RF 合成器可選擇 16/17 或 32/33，LMX2430 和 LMX2433 RF 合成器可選擇 8/9 或 16/17，IF 合成器可選擇 8/9 或 16/17。RF PLL 互補(bǔ)輸入可以采用差分驅(qū)動(dòng)，也可通過(guò)外部電容將負(fù)輸入交流接地實(shí)現(xiàn)單端配置。
4. 可編程反饋分頻器（N 計(jì)數(shù)器）：與預(yù)分頻器協(xié)同工作，將輸入信號(hào)（Fin）除以 N 因子，其輸出作為相位檢測(cè)器電路的反饋輸入。該電路由 A 計(jì)數(shù)器（吞咽計(jì)數(shù)器）和 B 計(jì)數(shù)器（可編程二進(jìn)制計(jì)數(shù)器）組成。不同型號(hào)的 A 計(jì)數(shù)器和 B 計(jì)數(shù)器位數(shù)不同，如 LMX2430 和 LMX2433 的 RF_A 計(jì)數(shù)器為 4 位，RF_B 計(jì)數(shù)器為 15 位；LMX2434 的 RF_A 計(jì)數(shù)器為 5 位，RF_B 計(jì)數(shù)器為 14 位。為實(shí)現(xiàn)連續(xù)整數(shù)分頻比，需滿(mǎn)足 (N ≥P times(P-1))（P 為所選預(yù)分頻器的值），且二進(jìn)制可編程計(jì)數(shù)器值應(yīng)大于吞咽計(jì)數(shù)器值（(B ≥A)）。
5. 相位/頻率檢測(cè)器（PFD）：RF 和 IF PFD 由各自的 N 和 R 計(jì)數(shù)器輸出驅(qū)動(dòng)，最大輸入頻率為 10 MHz，其輸出控制相應(yīng)的電荷泵。通過(guò) RF_CPP 或 IF_CPP 控制位可根據(jù) RF 或 IF VCO 的正負(fù)調(diào)諧特性來(lái)編程泵浦上升或下降控制信號(hào)的極性，PFD 的檢測(cè)范圍為 -2π 至 +2π，并通過(guò)接收電荷泵的反饋信號(hào)來(lái)消除死區(qū)。
6. 電荷泵：將電荷泵入或泵出外部環(huán)路濾波器，環(huán)路濾波器將電荷轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的控制電壓施加到 VCO 的調(diào)諧輸入上。在泵浦上升事件中，電荷泵使 VCO 控制電壓向 (V_{CC}) 方向移動(dòng)；在泵浦下降事件中，使控制電壓向 GND 方向移動(dòng)。鎖定時(shí)，CPoutRF 或 CPoutIF 主要處于三態(tài)模式，僅在相位比較速率時(shí)進(jìn)行小的調(diào)整。通過(guò)切換 RF_CPG 或 IF_CPG 控制位可選擇電荷泵輸出電流的大小。
7. Microwire 串行接口：通過(guò)該接口訪問(wèn)可編程寄存器組，采用低電壓邏輯接口，可直接連接 1.8-V 設(shè)備。該接口由 CLK、DATA 和 LE 三個(gè)信號(hào)引腳組成，串行數(shù)據(jù)在 CLK 的上升沿被時(shí)鐘輸入到 24 位移位寄存器，最后兩位解碼內(nèi)部控制寄存器地址。當(dāng) LE 變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，移位寄存器中的 DATA 根據(jù)地址位狀態(tài)加載到四個(gè)控制寄存器之一，且 DATA 的最高有效位（MSB）先被加載。即使在掉電模式下，也可以對(duì)合成器進(jìn)行編程。
8. 多功能輸出（Ftest/LD）：該引腳是一個(gè)多功能輸出引腳，可以配置為通用 CMOS 三態(tài)輸出、推挽模擬鎖定檢測(cè)輸出、開(kāi)漏模擬鎖定檢測(cè)輸出、數(shù)字濾波鎖定檢測(cè)輸出，或用于監(jiān)視各種參考分頻器（R 計(jì)數(shù)器）或反饋分頻器（N 計(jì)數(shù)器）電路的輸出。通過(guò) Ftest/LD 控制字可選擇所需的輸出功能，當(dāng) PLL 處于掉電模式時(shí)，該輸出被禁用并處于高阻抗?fàn)顟B(tài)。
   • 推挽模擬鎖定檢測(cè)輸出：如果選擇該功能，相位檢測(cè)器生成的模擬鎖定檢測(cè)狀態(tài)可在 Ftest/LD 輸出引腳上獲得。采用推挽配置時(shí)，當(dāng)電荷泵不工作時(shí)，鎖定檢測(cè)輸出為高電平；在比較周期中電荷泵工作時(shí)，輸出為低電平。有三個(gè)獨(dú)立的推挽模擬鎖定檢測(cè)信號(hào)路由到多路復(fù)用器，分別用于監(jiān)視單個(gè)合成器的鎖定狀態(tài)以及檢測(cè) RF 和 IF 合成器均處于鎖定狀態(tài)的情況，但需要外部電路提供穩(wěn)定的直流信號(hào)來(lái)指示 PLL 是否處于鎖定狀態(tài)。
   • 開(kāi)漏模擬鎖定檢測(cè)輸出：該配置下，當(dāng)電荷泵不工作時(shí)，鎖定檢測(cè)輸出處于高阻抗?fàn)顟B(tài)；在比較周期中電荷泵工作時(shí)，輸出為低電平。使用上拉電阻時(shí)，電荷泵開(kāi)啟時(shí)可觀察到窄的低電平脈沖。同樣有三個(gè)獨(dú)立的開(kāi)漏模擬鎖定檢測(cè)信號(hào)路由到多路復(fù)用器，也需要外部電路提供穩(wěn)定的直流信號(hào)來(lái)指示鎖定狀態(tài)。
   • 數(shù)字濾波鎖定檢測(cè)輸出：如果選擇該功能，相位檢測(cè)器生成的數(shù)字濾波鎖定檢測(cè)狀態(tài)可在 Ftest/LD 輸出引腳上獲得。該鎖定檢測(cè)數(shù)字濾波器將 PFD 輸入的相位差與約 15 ns 的 RC 延遲進(jìn)行比較，若連續(xù) 5 個(gè)參考周期內(nèi)相位誤差小于 15 ns 的 RC 延遲，PLL 進(jìn)入鎖定狀態(tài)（高電平）；進(jìn)入鎖定狀態(tài)后，RC 延遲變?yōu)榧s 30 ns，當(dāng)相位誤差大于 30 ns 的 RC 延遲時(shí)，PLL 失鎖（低電平）。當(dāng) PLL 處于掉電模式時(shí)，F(xiàn)test/LD 輸出被強(qiáng)制為低電平。且有三個(gè)獨(dú)立的數(shù)字濾波鎖定檢測(cè)信號(hào)路由到多路復(fù)用器，選擇該選項(xiàng)時(shí)無(wú)需外部電路。
   • 參考分頻器和反饋分頻器輸出：通過(guò)選擇合適的 Ftest/LD 字，可以監(jiān)視各種 N 和 R 分頻器的輸出，這在進(jìn)行 OSCin 或 Fin 靈敏度測(cè)量時(shí)非常重要。需要注意的是，路由到 Ftest/LD 的 R 和 N 輸出分別是 R/2 和 N/2，內(nèi)部的 /2 電路用于提供 50% 的占空比。
9. 快速鎖定輸出：LMX243x 的快速鎖定功能可在鎖定獲取過(guò)程中實(shí)現(xiàn)更快的環(huán)路響應(yīng)時(shí)間。如果將環(huán)路帶寬加倍，鎖定時(shí)間大約可以減半。當(dāng) FLoutRF 或 OSCout/ FLoutIF 引腳配置為快速鎖定輸出時(shí)，會(huì)啟用一個(gè)開(kāi)漏器件，該器件將一個(gè)與外部環(huán)路濾波器 R2 阻值相等的電阻并聯(lián)接入電路，從而有效加倍環(huán)路帶寬并保持穩(wěn)定性。一旦鎖定到正確頻率，PLL 將恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)。該功能提供手動(dòng)和自動(dòng)兩種實(shí)現(xiàn)方式：手動(dòng)快速鎖定通過(guò)將穩(wěn)態(tài)模式下 1 mA 的電荷泵電流（RF_CPG/ IF_CPG 位 = 0）增加到快速鎖定模式下的 4 mA（RF_CPG/ IF_CPG 位 = 1）來(lái)實(shí)現(xiàn)；自動(dòng)快速鎖定通過(guò)對(duì)超時(shí)計(jì)數(shù)器寄存器（RF_TOC/ IF_TOC）編程，設(shè)置 RF/ IF 合成器在快速鎖定狀態(tài)下的相位比較周期數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
10. 計(jì)數(shù)器復(fù)位：當(dāng) RF_RST/ IF_RST 位啟用時(shí)，反饋分頻器（RF_N/ IF_N）和參考分頻器（RF_R/ IF_R）將保持在加載點(diǎn)。當(dāng)設(shè)備編程為正常操作時(shí)，兩個(gè)分頻器將被啟用并恢復(fù)計(jì)數(shù)，且彼此緊密對(duì)齊，最大誤差為一個(gè)預(yù)分頻器周期。

四、應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

（一）應(yīng)用信息

LMX2430 系列器件適用于廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。由于其低電流消耗特性，非常適合許多低功率應(yīng)用場(chǎng)景。而且該系列器件擁有兩個(gè) PLL，可以生成兩個(gè)不同的頻率。當(dāng)然，也可以只使用其中一個(gè) PLL，同時(shí)將另一個(gè) PLL 掉電，但需要注意不要斷開(kāi)未使用側(cè)的電源引腳，因?yàn)樗鼈冊(cè)诙鄠€(gè)內(nèi)部模塊之間是共享的。當(dāng)未使用側(cè)掉電時(shí)，它不消耗電流，計(jì)數(shù)器和電荷泵也不會(huì)運(yùn)行或產(chǎn)生噪聲和雜散。

（二）典型應(yīng)用

給出了一個(gè)典型的應(yīng)用電路示例，其設(shè)計(jì)參數(shù)包括電荷泵增益、VCO 輸入電容、相位檢測(cè)器頻率、OSCin 頻率、環(huán)路帶寬、相位裕度等。在設(shè)計(jì)環(huán)路濾波器時(shí)，這是整個(gè)應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要在鎖定時(shí)間、相位噪聲和雜散之間進(jìn)行權(quán)衡。TI 網(wǎng)站提供了相關(guān)的參考資料、設(shè)計(jì)和仿真工具，可幫助工程師設(shè)計(jì)環(huán)路濾波器并模擬其性能。同時(shí)，文檔中還給出了相位噪聲和相位檢測(cè)器雜散的應(yīng)用曲線示例，這些曲線可以幫助工程師直觀地了解系統(tǒng)的性能表現(xiàn)。

五、電源與布局建議

（一）電源供應(yīng)

建議使用低噪聲穩(wěn)壓器為電源引腳供電。雖然可以使用一個(gè)穩(wěn)壓器為整個(gè)器件供電，但為了獲得最佳的雜散性能，最好按照布局指南中的建議進(jìn)行單獨(dú)旁路。電荷泵引腳通常對(duì)電源噪聲最為敏感，而與該器件一起使用的外部 VCO 可能對(duì)電源噪聲更為敏感，因此在電源設(shè)計(jì)時(shí)需要格外注意。

（二）布局設(shè)計(jì)

• 作為單 PLL 使用：所有電源引腳都必須連接，但對(duì)于未使用的 PLL 部分，無(wú)需進(jìn)行旁路處理，可以將它們短接在一起。未使用的輸出引腳應(yīng)保持未連接狀態(tài)，不要接地。
• 作為雙 PLL 使用：電源耦合更為關(guān)鍵，因?yàn)閮蓚€(gè) PLL 之間可能存在串?dāng)_。在電荷泵電源引腳之間需要使用電阻或電感進(jìn)行隔離，并且去耦電容的作用更加重要。

六、總結(jié)

LMX243x 系列頻率合成器憑借其豐富的特性和高性能的參數(shù)，在射頻個(gè)人通信領(lǐng)域具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。從低功耗、寬電壓工作范圍到靈活的電源管理和快速鎖定功能，都為工程師在設(shè)計(jì)電路時(shí)提供了極大的便利。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體的需求仔細(xì)選擇合適的型號(hào)、合理設(shè)計(jì)電源和布局，以充分發(fā)揮該系列產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。你在使用 LMX243x 系列產(chǎn)品時(shí)遇到過(guò)哪些挑戰(zhàn)呢？又是如何解決的？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。