介紹了鎖相環路的基本原理，分析了集成鎖相環芯片ADF4106的工作特性，給出了集成鎖相環芯片ADF4106的一個應用實例，為高頻頻率合成器的設計提供了很好的思路。
    關鍵詞：ADF4106，鎖相環，頻率合成器，環路濾波器

1 引言
    在無線通信領域中，高性能頻率源是通信設備、雷達、電子偵察和對抗設備、精密測量儀器的核心部件。現代通信系統對頻率源的精度、分辨率、轉換時間及頻譜純度等提出了越來越高的要求，性能卓越的頻率源均通過頻率合成技術來實現。本文所討論的鎖相環頻率合成技術是基于鎖相環路的同步原理，由一個高準確度、高穩定度的參考晶體振蕩器，綜合出大量離散頻率的一種技術。鎖相環頻率合成器是一種相位鎖定裝置，是一種頻率穩定度較高的離散間隔型頻率信號發生器。

2 鎖相環頻率合成器的基本原理
    鎖相環是頻率合成技術的基礎。鎖相環路(PLL)通常由鑒相器(PD)、環路濾波器(LP)、壓控振蕩器(VCO)和可變程序分頻器組成。

    鎖相環路是一個相位誤差控制系統，它比較輸入信號與壓控振蕩器輸出信號之間的相位差，產生一個對應于兩個信號相位差的誤差電壓，該誤差電壓經處理后去調整壓控振蕩器的頻率（相位）。當環路鎖定時，輸入信號與壓控振蕩器輸出信號頻差為零，相位差不再隨時間變化，此時，誤差控制電壓為一固定值，壓控振蕩器輸出頻率與輸入信號頻率相等，即fo=fr。鎖相環路的這一特點，使它在自動頻率控制中得到應用，以實現精確的頻率控制。環路在鎖定時要得到一定的控制電壓，則鑒相器必須有一個非零的輸出，即，環路作用必須有相位差，相位差維持著兩信號的同步，使輸出信號頻率穩定。
    鎖相環基本原理方框圖如圖1所示。

    鑒相器又稱比相器，對輸入信號與環路輸出信號的相位進行比較, 產生誤差控制電壓；環路濾波器濾除誤差電壓中的高頻分量和噪聲，以保證環路所要求的性能，增加環路的穩定性；壓控振蕩器的振蕩頻率受環路濾波器輸出電壓的控制，使壓控振蕩器輸出信號頻率向輸入信號頻率靠攏，兩個信號間的相位差減小。可變程序分頻器的作用是使壓控振蕩器的輸出頻率經分頻后再與參考頻率進行相位比較，從而產生誤差控制電壓，并以誤差控制電壓來調整壓控振蕩器的相位。

    鎖相環路對高穩定度的參考振蕩器（通常是晶體振蕩器）鎖定，環路串接可編程的程序分頻器，通過編程改變程序分頻器的分頻比R、N，從而獲得N/R倍參考頻率的穩定輸出。頻率合成器輸出頻率fo與晶體振蕩器參考頻率fr的關系為

其中，R是固定分頻比，N是程序（可變）分頻比，fr是晶振輸出的參考頻率，fo是頻率合成器的輸出頻率。

3 基于ADF4106的鎖相環頻率合成器的設計與實現
3.1 集成鎖相環芯片ADF4106介紹

    ADF4106是美國ADI公司最新生產的鎖相環芯片，它是一種頻率上限高、性能好的集成數字鎖相環頻率合成器芯片，在一塊很小的芯片中集成了鎖相環頻率合成器的多種重要部件，只需再合理搭配上一、二塊集成電路和少量的外圍電路，即可構成一個完整的低噪聲、低功耗、高穩定度的可靠性很高的頻率合成器，設計應用簡單靈活，且易于減小系統體積。ADF4106的內部結構原理圖如圖2所示。

    集成鎖相環芯片ADF4106具有較高的工作頻率，最高達到6.0GHz，它主要應用于無線發射機和接收機中，為上下變頻提供本振信號。該芯片主要由低噪聲數字鑒相器，精確電荷泵，可編程參考分頻器，可編程A、B計數器及雙模前置分頻器（P/P＋1）等部件組成。數字鑒相器用來對R計數器和N計數器的輸出相位進行比較，然后輸出一個與二者相位誤差成比例的誤差電壓。鑒相器內部還有一個可編程延遲單元，用來控制翻轉脈沖的寬度，這個翻轉脈沖保證鑒相器的傳遞函數沒有死區，因此，降低了相位噪聲和參考雜散。精確電荷泵采用可編程電流設置完成輸出。可編程參考分頻器實際上是一個14bit的R計數器，主要完成對外部恒溫晶振進行分頻，分頻比的范圍是1至16383，從而得到參考頻率。可編程A、B計數器及雙模前置分頻器（P/P＋1）共同完成主分頻比N（N=BP＋A）, 雙模前置分頻器（P/P＋1）也是可編程的，P的取值有幾種模式：8/9，16/17，32/33，64/65。

    ADF4106的最大特點就是它的極高的工作頻率，使得許多高頻系統的倍頻裝置得以精簡，還簡化了系統結構，降低了功耗和設備成本。因此，它在高頻電路系統中得到廣泛應用。

3.2 ADF4106應用實例
    以ADF4106為核心，選擇適合應用需要的外部壓控振蕩器，設計相應的環路濾波器，即可構成低噪聲、低功耗、高穩定度的頻率合成器。

    圖3是某發射機中頻率合成器的一個應用實例，其工作頻率范圍為5.4GHz～5.8GHz。在該頻率合成器中，外部高精度高穩定的10MHz參考時鐘經50Ω的匹配電阻，接到ADF4106的參考時鐘輸入端（REFin），經內部參考分頻器（除10）后得到1MHz的參考頻率間隔。ADF4106內部電荷泵的輸出驅動環路濾波器采用三階無源低通濾波器，參數設置：相位裕量φp=45°，鑒相器靈敏度Kd=2.5mA，壓控振蕩器靈敏度?K0=80MHz/V, 環路帶寬ωp=50Hz, 參考頻率間隔FREF=1MHz,參考分頻比R=10，主分頻比N=RFOUT/FREF=5800，濾波器的附加衰減ATTEN=10dB。

由環路濾波器設計原理，根據下面的公式, 定義時間常數為：

    可以計算出C1，C2，R2，并取標稱值：C1=100pF,C2=1.5nF,R2=4.3kΩ,取R3=6.2kΩ, C3=20pF。

    環路濾波器的輸出去驅動壓控振蕩器，在這里，壓控振蕩器選用ZCOMM公司的V940ME03，它具有很高的振蕩頻率；壓控振蕩器的輸出又反饋到ADF4106的射頻輸入端，形成環路，進而推動射頻輸出端。在V940ME03的RFout端，整個電路的射頻輸出端及ADF4106的射頻輸入端，加了一個T型電路，主要用來提供50Ω的阻抗匹配。

    雙模前置分頻器工作于32/33模式，用微機串口進行控制。在本例中，采用ATMEL公司的AT89C2051單片機進行控制，AT89C2051是一帶有2 kbyte Flash可編程可擦除只讀存儲器（EEPROM）的低壓、高性能8位CMOS微型計算機，它采用ATMEL的高密非易失存儲技術制造，并和工業標準MCS?51指令集和引腳結構兼容，通過在單塊芯片上組合通用的CPL1和Flash存儲器，使AT89C2051成為一功能強勁的微型計算機。AT89C2051的雙向I/O端口P1.7、P1.6、P1.5分別與ADF4106的CLK、DATA、LE相連接，實現對ADF4106的數據控制傳輸。外接的12MHz石英晶體與內部振蕩器共同構成了完整的振蕩信號發生器，為單片微機系統提供時鐘。X25045是看門狗定時器，其主要功能是對微處理器AT89C2051提供獨立的保護系統，當系統出現故障時，在可選的超時周期之后，X25045看門狗將以復位（RESET）信號作出響應；同時，作為電壓監控，還可以保護系統免受低電壓狀態影響，當VCC降低到轉換點以下時，系統復位，復位一直確保到VCC返回且穩定為止。

    ADF4106的供電電壓VDD為3V，Vp和VCO的供電電壓VCC為5V，均采用穩壓塊供電輸出。需要特別注意的是，VDD一定不能超過Vp，否則，會損壞器件。

    本例中，相噪、雜散等指標均達到了設計手冊中如圖4所示ADF4106的標準，其中，測量結果的典型值是相位噪聲為－81dBc/Hz@1kHz，雜散優于－62dBc。

4 結束語
    由于用ADF4106在高頻頻段設計的頻率合成器應用于許多高頻系統，精簡了倍頻裝置，簡化了系統結構，降低了功耗和設備成本，因此，它在高頻電路系統如寬帶無線接入、儀器儀表、無線局域網、無線電射頻基站中得到了廣泛應用。