可简化RF系统集成工作的频率合成器

2006-04-29 11:26:16来源: 电子系统设计
系统设计者对RF功能块的集成度的要求越来越高。系统设计者要求RF功模块能提供简单的数字、RF接口以加速产品上市时间,并简化系统级的集成和生产过程。但是,目前市面上的RF/微波信号源无法提供可靠的解决方案,来满足这些需求。幸运的是,即插即用系列的频率合成器产品提供了一个可行的解决方案,能提供可快速部署的高性能合成源。

目前有两种合成源方案,一种方案是带锁相环(PLL)及嵌入式压控振荡器的集成电路,另一种为内置PLL电路的压控振荡器VCO模块。在第一个方案中,与采用离散式集总元件(lumped-element)的VCO相比,集成VCO的性能大打折扣。除此之外,大部分单芯片频率合成器都要求额外的外部电路,如环路滤波器,且还需要花大力气去编写与相应的控制软件。

当离散VCO与高性能的PLL芯片集成在一起,并以模块形式出售时,系统设计者仍要面对一系列的问题。首先,每个新应用都要求定制设计。每个新要求影响频率范围、步长、参考时钟(基准频率)、回路带宽。 这些参数一经确定,信号源设计者就必须开发相应的产品,此时细微的变化都可以影响电路参数,甚至拓扑结构

此外,设计者还应在产品集成之前了解整个模块的内部工作过程,以便开发控制软件。该方案的设计风险比较高,因为在相位(频率规划、步长等)的设计过程中进行修改是非常耗时的,且费用较高。封装尺寸及接口没有统一的标准,这也使得系统设计者拥有难得的重新选择的余地。

由于这两种合成器解决方案存在一些问题,所以Universal Microwave公司(Odessa, FL)的工程师研发出了即插即用系列的频率合成器。它们是真正可配置的模块,仅需要几分钟而不是几星期便可完成重新设置。它们被用于简化RF设计者及系统软件开发者之间的联系以便于集成。即使是在最小的系统设计中,频率合成器也采用紧凑的表面贴封装。

与传统的VCO/PLL组合相比,这些紧凑器件的性能有了较大的提高 。I2C总线及 SPI 总线设计者将发现直接带有一个数字接口的PNP系列频率合成器可被目前的大多数通用的协议所接受。程序开发人员将发现用于功能控制软件的开发过程被简化。任何数量的PNP器件可同时连接在同一总线上。因为这些模块的内部架构能使数字总线与RF输出端隔离,所以这些模块经常在线等待接收数据。PNP频率合成器的灵活性极好,从而能使系统设计者利用简单的包含配置数据的字符串来实时设置频率合成器的所有重要功能 。

代码初始化块中包括起始频率(START)、截止频率(STOP)、频率步长(STEP)及参考时钟(REF)。这四个变量一经设定,则有限的通道已被制定,通过更新CHANNEL寄存器就可输入新的频率参数。 通过在总线传送这些简单字符, PNP架构可辨认其新规则及重设计循环以满足它的新设定。为获得最佳整体集成相位噪声,开关速度及寄生抑制,PNP模块对内部设置进行了优化。所有操作皆为自动,且所用时间小于100 μs。例如,若系统在一种模式下要求100kHz步长,而在另一模式下要求1MHz步长,则PNP合成器可迅速作出调整,且无需以降低精确速度或性能为代价。

PNP合成器可为RF工程师和软件工程师简化集成工作。事实上,该信号源可用于任何系统,且不需要其在它频率合成模块常见的复杂编码。可通过利用微处理器接口或总线来控制PNP系列集成频率合成器。PNP频率合成器支持许多种协议,如SPI总线、微处理器接口和I2C总线执行。在SPI及微波应用中,PNP器件要求单个32位的串行数据来设定频率或改变内部设定(图1)。I2C总线采用一些单独控制位并要求额外的地址位来将该协议的串行位流提高至40位/指令。

在出厂之前,每台PNP频率合成器中的所有寄存器已被预先设定。若这些出厂预设值为用户所接收,则没必要重新设置寄存器,若有在应用中所要求的参数不同于出厂预设值。则PNP合成器应首先通过对功能(FUNCTION)寄存器加载数据来实现其初始化。这些功能(FUNCTION)寄存器可能为START、STOP、STEP或 REFERENCE。没必要重新设置参数合适的寄存器。START定义了用户期望的最低工作频率。STOP定义了用户期望的最高工作频率。STEP用于带宽的设定。REFERENCE定义了外部基准频率。PNP合成器初始化完成后,就会形成固定的通道。CHANNEL寄存器用于设定PNP器件的操作频率。用于计算工作频率的公式很简单:START(单位Hz)+[CHANNEL×STEP (单位Hz)]=频率(单位Hz)。

每个PNP频率合成器在上电时都会被加载出厂预设值,这时它处于一个有效工作状态。然后,频率合成器会监测总线上的用于更改其参数的指令。例如:PNP-3250-L22频率合成器出厂预设值中的频率有效范围为3200~3300 MHz。当外部标准振荡频率为10MHz时,这个单元会以1MHz为步长调节3200~3300MHz整个频带(表1)。

当步长变化时,PNP-3250-L22的寄生噪声及相位噪声并不受影响,这表明PNP信号源中的回路已针对最佳整体性能进行了优化。当调节至相对较小的步长时,微处理器首先发送一个新的设定值到PNP频率合成器(唯一受此新参数影响的寄存器是STEP寄存器)。因此,用户只需送出一个字符串就可完成从1MHz步长至100kHz步长的转换。然而,通道数也会相应地增多。

PNP频率合成器实事上可处理5 kHz~10 MHz的任一步长,且不会增大相位噪声。尽管在极小步长下寄生性能的变化很明显,但PNP系列频率合成器的设计目的就在于使其能在不同的步长下都能获得较好的相位噪声性能。在以前的例子中,PNP-3250-L22被设定用于1MHz步长(出厂预设值),然后被重新编程用于100kHz步长。尽管存在这些变化,但PNP-3250-L22的相位噪声性能保持一致,而不管步长为多少(图2)。同样,寄生效应同样得到较好地控制,并与步长的变化保持一致(图3)。

PNP-1500-P22是PNP系列中的一款,被设计用于1000~2000 MHz(图4)的全频程。在取得如此宽的频宽覆盖下,其仍无需高电平供电 (常见的宽带频率合成器通常都采用高电平供电)。PNP-1500-P22采用+3V DC电源对数字电路供电及+12.5 VDC电源对模拟电路供电。紧凑合成源的外形尺寸仅为1.5×1.5×0.56cm,包含VCO、缓冲放大, 锁相环PLL, 回路滤波器及PNP 接口皆被封装在内。

当前的PNP频率合成器能函盖频率范围为50 MHz~5.5 GHz的40个波段(表2)。窄带设计采用+3-VDC电源对数字电路供电。宽带模块用 +3V DC电源对数字电路供电,用+12.5 V DC电源对模拟电路供电。

除了表中所示的单元外,PNP-950-L22的工作频率范围为900~1000 MHz?rPNP-1250-L22的工作频率范围为1200~1300 MHz。PNP-1350-L22的 工作频率范围为1300~1400 MHz, PNP-1450-L22的 工作频率范围为1400~1500 MHz。所有的频率合成器都可支持25~10,000 kHz可编程步长,典型输出功率为0 dBm。PNP-950-L22频率合成器的相位噪声为-110dBc/Hz(偏离载波10kHz)。PNP-1250-L22 及 PNP-1350-L22 频率合成器的相位噪声为 -108dBc/Hz(偏离载波10kHz) , PNP-1450-L22 的相位噪声为 -107dBc/Hz(偏离载波10 kHz)。

PNP-525-N22频率合成器其具有与PNP-1250-L22类似的频率覆盖范围但载波频率相对较低。PNP-525-N22设计用于50~1000 MHz,并可通过编程调节对25~10,000 kHz频率范围。之前所述的合成器由+5VDC电源供电。PNP-525-N22可操作在+15V DC的电源下(典型电流为35 mA) 在整个频率范围内,PNP-525-N22的典型输出功率为0dBm,典型相位噪声为-105dBc/Hz(偏离载波10kHz)。

紧凑的频率合成器的外形尺寸仅为1.27×1.27×0.46cm。当模块没有数字接口或不要求用到数字接口时,任一模块都可在出厂前被预设成相控振荡器(PLO)。只要有一个电源及外部参考源,通过加载工作频率已重新设定的PNP频率合成源,则该PLO就可工作在任一固定的、在50MHz至5GHz范围内的工作频率下。微型合成器可被用于许多场合,包括检测器件中的高精度源,数字微波无线器件中的本地晶振,或作为用于大型通信或军事频率合成器系统的紧凑的时钟源。

关键字:RF  频率合成器  VCO

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/rfandwireless/200604/1123.html
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