世强电讯 Hittite 智能频综产品应用简介

全球知名的射频微波MMIC厂商Hittite公司最近推出一系列业界领先的智能频综产品（即内部集成VCO 的PLL芯片），其中HMC820，HMC821非常适合应用在3G，winmax，LTE等通信市场。

HMC820，HMC821拥有极低的相位噪声和杂散，在1kHz频偏处的相噪可达-113dBc/Hz，比市场上最好的同类产品还要好10dBc左右。HMC820，HMC821的杂散典型值低于-90dBc，也优于同类竞争对手。

该系列小数分频采用了delta-sigma 调制技术，可以实现非常小的步进，达到非常低的杂散。在许多应用场合，足够低的杂散可以省去参考DDS（直接数字频综）需求。 

极低的近端相噪和杂散使系统可以工作于更宽的环路带宽，及更快的频率跳变。鉴相器的防滑功能对快速频率跳变是有益的。

功能简图及工作原理

图1：锁相环内部功能略图

工作原理

该锁相环芯片包括几个主要功能模块

1． 参考端的输入放大器和R分频

2． VCO的输入放大器和N分频

3． Delta-sigma 小数调制

4． 鉴相器

5． 电荷泵

6． VCO子系统

根据频综的类型，这个VCO子系统可以被设置成以下四种方式：

A， VCO只输出基频

B，    VCO只输出1/2分频

C，    VCO只输出2倍频

D， VCO可输出基频、1/2分频、2倍频任一个频段

任何情况下，PLL的内核都运行于VCO的基频。输出基频的频综内部的VCO就工作于基频，输出1/2分频的频综内部是由一个工作于基频的VCO加一个2分频器构成，输出2倍频的频综内部由工作于基频的VCO和一个2倍频器构成。

VCO子系统 

VCO子系统是一个步进调谐类型的VCO，其拓扑结构如下图2
这种步进调谐VCO可以将变容二极管的调谐电压优化到电荷泵的输出电压中点附近。因此，电荷泵在全范围内能以低的调谐电压和调谐敏感性来调谐VCO。这又是构成锁相环芯片低相噪和杂散特性的原因之一。

 
图2

简单的环路滤波器

PLL的内核只运行于VCO的基频，三个频段需要的环路滤波器是相同的。这样客户在设计时，只要按照一个频段设计，另外两个频段直接借用，大大节省了射频工程师的时间和精力。鉴于芯片内部独特的VCO子系统，只需较低的电压驱动VCO ，因此，简单的无源滤波器就可以满足要求，不需要采用含有运放的有源滤波器，降低了设计难度，同时节省了成本。环路滤波器如下图3所示，

 
 
图3

步进调谐VCO自动校准 

VCO必须校准，以便锁相环知道对于需要的输出频率VCO哪个开关位置是最优的。该锁相环芯片支持步进调谐VCO自动校准。自动校准功能固定VCO调谐电压在CP输出电压的中点，然后测量这个自由运行的VCO频率同时寻找设置，这个设置使得自由运行的输出频率最接近需要的相位锁定频率。

这个过程使得相位锁定振荡器锁定在变容管很窄的电压范围。典型的步进调谐VCO的调谐曲线如下图4，该图显示了调谐电压怎么保持在一个很窄的范围，尽管输出频率范围很宽。

图4

这种校准每改变一次频率就自动运行一次，因而保证了在不同时间及温度下的VCO开关设置的优化选择。这个过程是自动的，用户不必知道是哪个开关发生作用。精度会影响时间。校准的原则是寻求最佳的设置，锁定VCO在当前的编程设定的频率，确保VCO保持锁定并且在全温度范围内表现良好，可以做到校准与温度无关。通过设置寄存器Reg08h[13]可以让锁相环自动重新校准一次，该锁相环芯片也支持VCO手动校准。

控制软件及仿真软件

Hittite提供相应的控制软件及仿真软件以支持该系列锁相环芯片的使用。控制软件操作简单使用方便。只要选择整数或分数模式，在频率输入框输入合适的频率，就可以锁定。当然，如果需要也可以打开后台的寄存器去读写寄存器的数值。这些寄存器的功能包括电荷泵控制，VCO子系统控制，休眠模式等。

该锁相环的仿真软件，可以根据环路带宽，相位裕度要求给出环路滤波器的设计。也可以仿真给定环路滤波器情况下，锁相环的噪声情况。

该仿真软件，功能强大，可以仿真多个因素对锁相环芯片相位噪声的影响。包括了VCO，晶振，电荷泵，环路滤波器，分频器。运用该仿真软件，可以为你的设计提供指导，缩短设计时间。对多因素的仿真如下图5：

    
图5

结束语

在使用该锁相环芯片时Hittite功能强大的仿真软件，可以给设计者提供指导，节省时间。Hittite的智能频综产品HMC820，HMC821设计独特，拥有同类产品里最好的相噪和杂散，集成度高，外围电路简单，非常适合应用在3G，Winmax，LTE等通信市场。

如欲进一步了解这两款产品的供货及技术支持信息，请联系Hittite公司授权代理商世强电讯。