單環(huán)寬帶鎖相環(huán)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及頻率合成技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種單環(huán)寬帶鎖相環(huán)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，許多電路系統(tǒng)中需要高純度高頻信號(hào)源，例如:無線收發(fā)系統(tǒng)中的本振等。低頻率的高純度的信號(hào)一般由晶體提供，高頻振蕩一般需要很大的晶體，晶體很薄，切割成很大時(shí)容易破碎，這種高頻信號(hào)的晶體很難制作。另外，在無線收發(fā)系統(tǒng)中，需要一個(gè)信號(hào)頻率可以進(jìn)行變化的本振，這些需求都需要頻率合成器來滿足。頻率合成一般分為間接頻率合成和直接頻率合成，間接頻率合成主要使用鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)。
[0003]鎖相環(huán)(Phase Locked Loop，PLL)是一種通過保持壓控振蕩器的輸出相位(或頻率)與參考振蕩器的相位(或頻率)同步，從而得到想要的輸出信號(hào)的電路，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用在多普勒雷達(dá)、衛(wèi)星通信、移動(dòng)電話和電信等領(lǐng)域。
[0004]目前大多數(shù)鎖相環(huán)的輸出頻率范圍有限，如果希望輸出寬頻帶的頻率合成信號(hào)就只能通過使用若干個(gè)鎖相環(huán)分別實(shí)現(xiàn)，而采用若干個(gè)鎖相環(huán)來實(shí)現(xiàn)會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性使鎖相環(huán)的控制變得困難，且在不同的鎖相環(huán)之間切換時(shí)也會(huì)增加頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間使系統(tǒng)反應(yīng)變慢，使用的鎖相環(huán)數(shù)增加也會(huì)增加生產(chǎn)成本。如果采用單環(huán)鎖相環(huán)的輸出頻率范圍過寬，又會(huì)存在相位噪聲性能不理想的問題。
[0005]針對(duì)上述問題，目前尚未提出有效的解決方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明實(shí)施例提供了一種單環(huán)低相噪鎖相環(huán)，以實(shí)現(xiàn)單環(huán)寬帶且相位噪聲性能理想的鎖相環(huán)，包括:鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器和分頻器，其中:
[0007]所述鑒相器，第一輸入端與參考信號(hào)源相連，輸出端與所述環(huán)路濾波器的輸入端相連；
[0008]所述環(huán)路濾波器，輸出端與所述壓控振蕩器的輸入端相連，其中，所述環(huán)路濾波器為四階環(huán)路濾波器；
[0009]所述壓控振蕩器，輸出端與所述分頻器的輸入端相連；
[0010]所述分頻器，輸出端與所述鑒相器的第二輸入端相連。
[0011]在一個(gè)實(shí)施方式中，所述環(huán)路濾波器為無源環(huán)路濾波器。
[0012]在一個(gè)實(shí)施方式中，所述環(huán)路濾波器的輸入端與所述鑒相器中的電荷栗相連，或者所述環(huán)路濾波器的輸入端直接與所述鑒相器相連。
[0013]在一個(gè)實(shí)施方式中，上述單環(huán)低相噪鎖相環(huán)還包括:運(yùn)算放大器，連接在所述環(huán)路濾波器和所述壓控振蕩器之間。
[0014]在一個(gè)實(shí)施方式中，所述環(huán)路濾波器為一級(jí)低通濾波器。
[0015]在一個(gè)實(shí)施方式中，所述環(huán)路濾波器的帶寬為110kHz。
[0016]在本發(fā)明實(shí)施例中，提出了一種單環(huán)寬帶鎖相環(huán)，輸出的頻率范圍可以保持在4GHz-8GHz，因?yàn)檫x擇的環(huán)路濾波器為四階環(huán)路濾波器，從而提高了單環(huán)鎖相環(huán)的相位噪聲性能，參考雜散能夠得到很好的抑制，使得該鎖相環(huán)可以滿足系統(tǒng)需求，進(jìn)一步的，該單環(huán)寬帶鎖相環(huán)的體積較小、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且成本較低，從而使得將其使用在便攜式和手持式設(shè)備中成為可能。
【附圖說明】
[0017]此處所說明的附圖用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限定。在附圖中:
[0018]圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的單環(huán)寬帶鎖相環(huán)的一種結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的單環(huán)寬帶鎖相環(huán)的另一結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面結(jié)合實(shí)施方式和附圖，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。在此，本發(fā)明的示意性實(shí)施方式及其說明用于解釋本發(fā)明，但并不作為對(duì)本發(fā)明的限定。
[0021]如圖1所示，提供了一種單環(huán)寬帶鎖相環(huán)，包括:鑒相器101、環(huán)路濾波器102、壓控振蕩器(VOC) 103和分頻器104，其中:
[0022]I)鑒相器101的第一輸入端與參考信號(hào)源的輸入相連，輸出端與環(huán)路濾波器102的輸入端相連；
[0023]2)環(huán)路濾波器102，輸出端與壓控振蕩器103的輸入端相連；
[0024]環(huán)路濾波器是設(shè)計(jì)鎖相環(huán)時(shí)最重要的部分，環(huán)路濾波器的參數(shù)對(duì)鎖相環(huán)的輸出信號(hào)的相噪、雜散、鎖定時(shí)間等性能均有影響，在實(shí)際執(zhí)行的時(shí)候，環(huán)路濾波器可以與鑒相器101中的電荷栗相連，也可以直接連接到鑒相器101。
[0025]從有無電源的角度可以將環(huán)路濾波器分為有源濾波器和無源濾波器，考慮到電荷栗環(huán)路濾波器主要優(yōu)點(diǎn)就是不需要有源器件，因此不會(huì)對(duì)調(diào)諧電壓增加噪聲，但是因?yàn)殡姾衫踺敵鲭妷河邢?，那么調(diào)諧電壓范圍也就受到限制。因此，為了獲得更寬的調(diào)諧電壓范圍，在本例中，如圖2所示，環(huán)路濾波器102選擇有源環(huán)路濾波器1021，進(jìn)一步的，還可以在有源環(huán)路濾波器1021的輸出端與VCO調(diào)諧電壓輸入端口之間加入一個(gè)運(yùn)算放大器201。然而值得注意的是，為了減小對(duì)VCO調(diào)諧端口輸入阻抗的影響，選擇輸出阻抗比較小的運(yùn)算放大器。
[0026]具體的，該有源環(huán)路濾波器1021可以選擇環(huán)路帶寬為160kHz的，運(yùn)算放大器201可以選用THS4031⑶GN型號(hào)的芯片，因?yàn)樵撔酒脑肼暤停俣瓤?，且?dāng)正電壓供電為20V，負(fù)電壓供電為-5V時(shí)，輸出電壓范圍可以滿足壓控振蕩器的調(diào)諧電壓要求。
[0027]進(jìn)一步的，在設(shè)計(jì)鎖相環(huán)時(shí)，雜散是一個(gè)難題，輸出信號(hào)一般有好幾種雜散，最常見的類型就是參考雜散，參考雜散以鑒相頻率的倍數(shù)出現(xiàn)，雜散主要是電荷栗不匹配或者電流泄露而造成的?？紤]到雜散的影響，為了更好地抑制雜散，在運(yùn)算放大器201前端的有源環(huán)路濾波器1021為一個(gè)低通濾波器，通過該低通濾波器進(jìn)行預(yù)濾波，這樣就只是給環(huán)路增加了 I個(gè)極點(diǎn)，可以有效降低環(huán)路的相位余量，不會(huì)影響環(huán)路的性能和穩(wěn)定性。
[0028]發(fā)明人在經(jīng)過多次仿真設(shè)計(jì)和多次實(shí)驗(yàn)后，可以使用低噪聲運(yùn)算放大器搭建環(huán)路濾波器，設(shè)計(jì)濾波器的類型為C型，階數(shù)為四階，帶寬為110kHz，從而提高相位噪聲性能，帶外衰減至少為_60dB，因此參考雜散能夠得到較好的抑制，滿足系統(tǒng)要求，且可以平衡帶內(nèi)帶外噪聲，以取得較好的相噪性能，在20kHz頻偏處相噪較好。
[0029]3)壓控振蕩器103，輸出端與分頻器104的輸入端相連；
[0030]具體的，壓控振蕩器103可以選擇型號(hào)為HMC586LC4B的壓控振蕩器，該芯片的指標(biāo)為:
[0031]頻率范圍:4.0-8.0GHz
[0032]輸出功率:5dBm
[0033]單邊帶相位噪聲:-75dBc/Hz@10kHzOffset, -100dBc/Hzil00kHz Offset
[0034]調(diào)諧電壓:0-18V。
[0035]4)分頻器104，輸出端與鑒相器101的第二輸入端相連；
[0036]在寬帶頻率范圍內(nèi)，隨著輸出信號(hào)頻率升高，分頻器的分頻比增大，VCO調(diào)諧靈敏度降低，這會(huì)導(dǎo)致環(huán)路傳遞函數(shù)的改變，引起環(huán)路帶寬發(fā)生變化，甚至使環(huán)路不能穩(wěn)定工作。為了保證環(huán)路傳遞函數(shù)在整個(gè)頻帶基本不變，只有改變電荷栗的輸出電流，具體的，因?yàn)樵诟哳l段時(shí)，N(分頻比)值很大，調(diào)諧靈敏度K/變低，此時(shí)電荷栗輸出電流應(yīng)設(shè)為較高值，在低頻段時(shí)，N值變小，調(diào)諧靈敏度K/變高，此時(shí)電荷栗輸出電流應(yīng)設(shè)為較低值，從而可以保證環(huán)路頻率響應(yīng)基本不變。
[0037]在上述實(shí)施例中，提出了一種單環(huán)寬帶鎖相環(huán)，輸出的頻率范圍可以保持在4GHz-8GHz，因?yàn)檫x擇的環(huán)路濾波器為四階環(huán)路濾波器，從而提高了單環(huán)鎖相環(huán)的相位噪聲性能，參考雜散能夠得到很好的抑制，使得該鎖相環(huán)可以滿足系統(tǒng)需求，進(jìn)一步的，該單環(huán)寬帶鎖相環(huán)的體積較小、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且成本較低，從而使得將其使用在便攜式和手持式設(shè)備中成為可能。
[0038]鎖相環(huán)的噪聲分為帶內(nèi)噪聲與帶外噪聲，其中，帶內(nèi)噪聲源主要有環(huán)路濾波器、鑒相器、分頻器和參考信號(hào)源，帶外噪聲源主要是壓控振蕩器，從環(huán)路傳遞函數(shù)推導(dǎo)過程可以得出:閉環(huán)頻率響應(yīng)對(duì)帶內(nèi)噪聲源為低通特性，對(duì)帶外噪聲源壓控振蕩器呈高通特性。
[0039]考慮到輸出頻率寬、相噪性能要求高的要求，通過本例中所設(shè)計(jì)的鎖相環(huán)對(duì)頻率合成器HMC703LP4E (輸入頻率:DC_8GHz，相位噪聲:_230dBc/Hz、_233dBc/Hz，鑒相頻率:100MHz，抖動(dòng):50fs RMS jitter)進(jìn)行寄存器讀寫，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出信號(hào)的控制。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果顯示:小數(shù)模式下，4GHz頻點(diǎn)20kHz頻偏處的相位噪聲接近-110dBc/Hz，8GHz頻點(diǎn)20kHz頻偏處的相位噪聲達(dá)到-lOOdBc/Hz，且無太大雜散，輸出功率為3dBm左右。
[0040]顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明白，上述的本發(fā)明實(shí)施例的各模塊或各步驟可以用通用的計(jì)算裝置來實(shí)現(xiàn)，它們可以集中在單個(gè)的計(jì)算裝置上，或者分布在多個(gè)計(jì)算裝置所組成的網(wǎng)絡(luò)上，可選地，它們可以用計(jì)算裝置可執(zhí)行的程序代碼來實(shí)現(xiàn)，從而，可以將它們存儲(chǔ)在存儲(chǔ)裝置中由計(jì)算裝置來執(zhí)行，并且在某些情況下，可以以不同于此處的順序執(zhí)行所示出或描述的步驟，或者將它們分別制作成各個(gè)集成電路模塊，或者將它們中的多個(gè)模塊或步驟制作成單個(gè)集成電路模塊來實(shí)現(xiàn)。這樣，本發(fā)明實(shí)施例不限制于任何特定的硬件和軟件結(jié)合。
[0041]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明實(shí)施例可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種單環(huán)寬帶鎖相環(huán)，其特征在于，包括:鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器和分頻器，其中: 所述鑒相器，第一輸入端與參考信號(hào)源相連，輸出端與所述環(huán)路濾波器的輸入端相連； 所述環(huán)路濾波器，輸出端與所述壓控振蕩器的輸入端相連，其中，所述環(huán)路濾波器為四階環(huán)路濾波器； 所述壓控振蕩器，輸出端與所述分頻器的輸入端相連； 所述分頻器，輸出端與所述鑒相器的第二輸入端相連。2.如權(quán)利要求1所述的單環(huán)寬帶鎖相環(huán)，其特征在于，所述環(huán)路濾波器為有源環(huán)路濾波器。3.如權(quán)利要求2所述的單環(huán)寬帶鎖相環(huán)，其特征在于，所述環(huán)路濾波器的輸入端與所述鑒相器中的電荷栗相連，或者所述環(huán)路濾波器的輸入端直接與所述鑒相器相連。4.如權(quán)利要求2所述的單環(huán)寬帶鎖相環(huán)，其特征在于，還包括:運(yùn)算放大器，連接在所述環(huán)路濾波器和所述壓控振蕩器之間。5.如權(quán)利要求4所述的單環(huán)寬帶鎖相環(huán)，其特征在于，所述環(huán)路濾波器的帶寬為I1kHz。6.如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的單環(huán)寬帶鎖相環(huán)，其特征在于，所述環(huán)路濾波器為一級(jí)低通濾波器。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種單環(huán)寬帶鎖相環(huán)，包括：鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器和分頻器，其中：所述鑒相器，第一輸入端與參考信號(hào)源相連，輸出端與所述環(huán)路濾波器的輸入端相連；所述環(huán)路濾波器，輸出端與所述壓控振蕩器的輸入端相連，其中，所述環(huán)路濾波器為四階環(huán)路濾波器；所述壓控振蕩器，輸出端與所述分頻器的輸入端相連；所述分頻器，輸出端與所述鑒相器的第二輸入端相連。通過上述實(shí)施方式達(dá)到了實(shí)現(xiàn)單環(huán)寬帶且相位噪聲性能理想的鎖相環(huán)的目的。
【IPC分類】H03L7/18
【公開號(hào)】CN105024694
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510242838
【發(fā)明人】邵華君
【申請(qǐng)人】中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所
【公開日】2015年11月4日
【申請(qǐng)日】2015年5月13日