探索LMX2820 22.6-GHz寬帶PLLatinum? RF合成器的卓越性能

在當(dāng)今電子技術(shù)飛速發(fā)展的時代，高性能的RF合成器對于眾多領(lǐng)域的應(yīng)用至關(guān)重要。今天我們要深入探討的是德州儀器（TI）的LMX2820 22.6-GHz寬帶PLLatinum? RF合成器，它具備多種強(qiáng)大特性，能滿足雷達(dá)、5G等領(lǐng)域的嚴(yán)格需求。

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一、LMX2820的核心特性

1.1 頻率輸出與頻譜純度

• 寬頻率范圍：輸出頻率覆蓋45 MHz至22.6 GHz，如此寬泛的范圍使其能夠適用于各種不同的應(yīng)用場景。無論是低頻的通信需求，還是高頻的毫米波應(yīng)用，LMX2820都能輕松應(yīng)對。
• 低抖動性能：在6 GHz時實(shí)現(xiàn)36-fs rms抖動（12 kHz – 95 MHz），這一低抖動特性對于需要高精度信號的應(yīng)用，如高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器時鐘，尤為關(guān)鍵。它能有效減少信號失真，提高系統(tǒng)的整體性能。
• 低雜散輸出： -95 dBc整數(shù)模式雜散（ (f_{PD}=100 MHz) ），保證了輸出信號的高純度，降低了雜散信號對系統(tǒng)其他部分的干擾。

  1.2 高性能PLL

• 高優(yōu)值：優(yōu)值達(dá)到 -236 dBc/Hz，反映了其在低噪聲和低功耗方面的出色性能。
• 低1/f噪聲：歸一化1/f噪聲為 -134 dBc/Hz，進(jìn)一步提升了PLL的性能。
• 高鑒相器頻率：支持400-MHz整數(shù)模式和300-MHz分?jǐn)?shù)模式，能夠提供更精確的頻率控制。

  1.3 其他特性

• 快速VCO校準(zhǔn)：2.5-μs的快速VCO校準(zhǔn)時間，滿足了需要快速切換頻率的應(yīng)用需求，例如雷達(dá)系統(tǒng)中的頻率跳變。
• 靜音功能：靜音引腳具有200-ns的靜音/取消靜音時間，可靈活控制輸出信號的開啟和關(guān)閉。
• 外部VCO支持：支持高達(dá)22.6-GHz的外部VCO，為用戶提供了更多的頻率選擇和設(shè)計(jì)靈活性。
• 多設(shè)備相位同步：能夠同步多個設(shè)備的輸出相位，適用于需要多信號同步的復(fù)雜系統(tǒng)。
• JESD204B支持：具備兩個差分RF輸出和一個差分SYSREF輸出，支持JESD204B標(biāo)準(zhǔn)，可用于高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的時鐘源。

二、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

2.1 雷達(dá)與電子戰(zhàn)

在雷達(dá)系統(tǒng)中，LMX2820的快速頻率切換和低抖動特性能夠滿足雷達(dá)對高精度、高速度的要求。它可以為雷達(dá)提供穩(wěn)定的本振信號，提高雷達(dá)的探測精度和抗干擾能力。在電子戰(zhàn)領(lǐng)域，其寬頻率范圍和低雜散輸出有助于實(shí)現(xiàn)信號的精確調(diào)制和解調(diào)，增強(qiáng)電子對抗能力。

2.2 5G與毫米波無線基礎(chǔ)設(shè)施

5G通信對信號的頻率精度和穩(wěn)定性要求極高。LMX2820的高性能PLL和寬頻率范圍能夠?yàn)?G基站和終端設(shè)備提供高質(zhì)量的時鐘信號，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸。在毫米波頻段，它的低抖動和低雜散特性更是不可或缺，有助于提高毫米波通信的可靠性和效率。

2.3 微波回傳

微波回傳是無線通信網(wǎng)絡(luò)中的重要環(huán)節(jié)，需要穩(wěn)定的信號傳輸。LMX2820的高性能輸出能夠?yàn)槲⒉ɑ貍髟O(shè)備提供精確的時鐘，保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，減少數(shù)據(jù)丟包和誤碼率。

2.4 測試與測量設(shè)備

測試與測量設(shè)備需要高精度的信號源來進(jìn)行各種測試。LMX2820的低抖動、低雜散和寬頻率范圍特性使其成為測試與測量設(shè)備的理想選擇，能夠提供準(zhǔn)確的測試信號，提高測試結(jié)果的可靠性。

2.5 高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器時鐘

高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器對時鐘信號的精度和穩(wěn)定性要求極高。LMX2820的低抖動特性能夠?yàn)楦咚贁?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器提供穩(wěn)定的時鐘，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集和轉(zhuǎn)換。

三、詳細(xì)設(shè)計(jì)剖析

3.1 參考振蕩器輸入

OSCIN引腳作為頻率參考輸入，具有高阻抗特性，需要使用交流耦合電容。它既支持CMOS時鐘或XO驅(qū)動的單端輸入，也支持差分時鐘輸入，方便與高性能系統(tǒng)時鐘設(shè)備接口，如TI的LMK系列時鐘設(shè)備。由于OSCIN信號用于VCO校準(zhǔn)，在VCO校準(zhǔn)期間必須提供合適的參考信號。

3.2 輸入路徑設(shè)計(jì)

• OSCIN倍頻器（OSC_2X）：可以將低頻率的OSCIN信號倍增至500 MHz，有助于提高鑒相器頻率，改善相位噪聲并減少雜散。但使用時需要注意輸入信號的占空比應(yīng)接近50%，否則雜散會增加。此外，使用該倍頻器會使PLL閃爍噪聲和優(yōu)值降低約1 dB，但鑒相器頻率提高帶來的好處更為顯著。
• 預(yù)R分頻器（PLL_R_PRE）：當(dāng)輸入頻率過高，超出可編程乘法器（MULT）或后R分頻器的輸入范圍時，預(yù)R分頻器可以降低輸入頻率。
• 可編程輸入乘法器（MULT）：可將頻率乘以3、4、5、6或7，用于避免整數(shù)邊界雜散。需要注意的是，它不能與輸入路徑倍頻器同時使用，且會使PLL優(yōu)值降低約8 dB，主要用于雜散抑制而非改善PLL噪聲。當(dāng)VCO頻率與OSCIN頻率的倍數(shù)相差較大時，該乘法器最為有效。
• R分頻器（PLL_R）：進(jìn)一步將頻率分頻至鑒相器頻率。當(dāng) (PLL_R=2) 時，最大輸入頻率限制為500 MHz；當(dāng) (PLL_R>2) 時，最大輸入頻率限制為250 MHz。

  3.3 PLL鑒相器與電荷泵

  鑒相器比較R分頻器和N分頻器的輸出，生成與相位誤差對應(yīng)的校正電流，直至兩個信號相位對齊。電荷泵電流可通過軟件編程設(shè)置為多個不同級別，從而調(diào)整PLL的閉環(huán)帶寬。鑒相器的極性也可配置，以適應(yīng)有源環(huán)路濾波器的應(yīng)用。

  3.4 N分頻器與分?jǐn)?shù)電路

• 整數(shù)N分頻部分（PLL_N）：總N分頻值由整數(shù)部分和分?jǐn)?shù)部分組成。使用內(nèi)部VCO時，最小N分頻值取決于調(diào)制器階數(shù)和VCO頻率；使用外部VCO時，最小N分頻值也有所不同。
• 分?jǐn)?shù)N分頻部分（PLL_NUM和PLL_DEN）：N分頻器包含分?jǐn)?shù)補(bǔ)償，可實(shí)現(xiàn)從1到 ((2^{32}-1)) 的任意分?jǐn)?shù)分母。分母越大，輸出的分辨率越高。
• 調(diào)制器階數(shù)（MASH_ORDER）：分?jǐn)?shù)調(diào)制器階數(shù)可編程，對雜散有影響。較高階的調(diào)制器可將低頻雜散能量推向高頻，但會增加噪聲并提高最小N分頻比。根據(jù)不同的應(yīng)用需求，可以選擇合適的調(diào)制器階數(shù)。

  3.5 LD引腳鎖定檢測

  鎖定檢測可大致指示PLL是否鎖定。支持兩種類型的鎖定檢測：校準(zhǔn)狀態(tài)和間接vtune。校準(zhǔn)狀態(tài)鎖定檢測在VCO開始校準(zhǔn)時為低電平；間接vtune鎖定檢測通過創(chuàng)建一個模擬VTUNE引腳實(shí)際電壓的內(nèi)部電壓來工作。兩種檢測方式也可以結(jié)合使用。

  3.6 MUXOUT引腳與讀回功能

  通過MUXOUT引腳可以讀回設(shè)備的相關(guān)狀態(tài)信息，包括原始寄存器值、VCO鎖定檢測狀態(tài)、VCO校準(zhǔn)信息和芯片溫度等。讀回芯片溫度時，測量精度為 ± 5 °C。

  3.7 內(nèi)部VCO

  LMX2820集成了一個完整的VCO，它將環(huán)路濾波器的電壓轉(zhuǎn)換為頻率。VCO頻率與其他頻率的關(guān)系為 (f{V C O}=f{P D} times(P L L _ N+P L L _ N U M / P L L _ D E N)) 。

• VCO校準(zhǔn)：為了降低VCO調(diào)諧增益并改善相位噪聲性能，VCO頻率范圍被劃分為多個頻段。頻率校準(zhǔn)例程在R0寄存器中設(shè)置 (FCAL_EN =1) 時啟動，同時VCO還有內(nèi)部幅度校準(zhǔn)算法，其最佳內(nèi)部設(shè)置與溫度有關(guān)。
• VCO增益與范圍：VCO增益會因不同的VCO核心、溫度和工藝而有所變化，但可以根據(jù)相關(guān)表格大致估算。

  3.8 通道分頻器

  通道分頻器由多個分段和抽頭點(diǎn)組成，RFOUTA和RFOUTB共享該分頻器。一般情況下，兩個輸出的分頻值可以獨(dú)立設(shè)置，但如果其中一個輸出選擇128分頻，則另一個輸出也必須選擇128分頻。當(dāng)兩個輸出頻率不同時，較高頻率輸出會在與較低頻率輸出相同的頻率偏移處產(chǎn)生次諧波雜散。

  3.9 輸出頻率倍頻器

  頻率倍頻器用于產(chǎn)生兩倍于VCO頻率的輸出信號。當(dāng)VCO頻率翻倍時，會有基頻（非倍頻）泄漏到輸出端，即次諧波（0.5X）。為了減少這些次諧波，有一個可調(diào)濾波器會跟蹤輸出頻率，濾除次諧波和其他不需要的諧波。該濾波器的校準(zhǔn)在VCO校準(zhǔn)時自動觸發(fā)。

  3.10 輸出緩沖器

  輸出緩沖器采用開集電極架構(gòu)，內(nèi)部集成了50-Ω上拉電阻。在低頻時，輸出阻抗可近似為50 Ω，但在高頻時，寄生效應(yīng)可能會導(dǎo)致輸出阻抗發(fā)生變化。通過OUTx_PWR編程字段可以設(shè)置發(fā)射極電流，調(diào)整輸出功率電平。

  3.11 掉電模式

  可以使用CE引腳或POWERDOWN位對LMX2820進(jìn)行上電和掉電操作。在掉電模式下，大部分設(shè)備功能關(guān)閉，但設(shè)備會保留編程信息，前提是電源引腳仍有電源供應(yīng)。需要注意的是，在掉電模式下編程寄存器R0并設(shè)置 (POWERDOWN) 和 (FCAL_EN=1) 會重新校準(zhǔn)VCO。

  3.12 多設(shè)備相位同步

  在許多應(yīng)用中，需要同步脈沖來確保設(shè)備具有確定的相位。相位同步的要求取決于特定的設(shè)置條件。當(dāng)同步脈沖的時序要求不嚴(yán)格時，可以通過軟件切換INPIN_IGNORE位來實(shí)現(xiàn)；當(dāng)時序要求嚴(yán)格時，則必須通過引腳實(shí)現(xiàn)，并且OSCIN引腳的建立和保持時間非常關(guān)鍵。

• SYNC類別：根據(jù)輸入和輸出頻率的不同，相位同步分為不同的類別，每個類別對頻率和設(shè)備配置有不同的要求。
• 相位調(diào)整：可以使用MASH_SEED字通過sigma-delta調(diào)制器來改變輸出信號相對于輸入?yún)⒖嫉南辔?。相位調(diào)整分為靜態(tài)和動態(tài)兩種方式，靜態(tài)調(diào)整通過設(shè)置MASH_SEED字并切換MASH_RST_N位來實(shí)現(xiàn)，動態(tài)調(diào)整則通過重復(fù)編程MASH_SEED字來累積相位值。在高頻輸出時，可能需要進(jìn)行一些微調(diào)以確保相位同步的準(zhǔn)確性。

  3.13 SYSREF功能

  LMX2820可以生成與 (f_{OUT }) 同步且具有可編程延遲的SYSREF輸出信號。該輸出可以是單脈沖、脈沖序列或連續(xù)脈沖流。使用SYSREF功能時，PLL必須首先通過設(shè)置 (PHASE_SYNC_EN=1) 進(jìn)入SYNC模式。通過設(shè)置SYSREF_DIV_PRE和SYSREF_DIV分頻器以及JESD_DACx_CTRL字，可以實(shí)現(xiàn)對SYSREF信號的延遲編程。

  3.14 快速VCO校準(zhǔn)

  VCO校準(zhǔn)時間可以通過多種方式減少，包括無輔助、部分輔助、全輔助和即時校準(zhǔn)。即時校準(zhǔn)可以在2.5 μs內(nèi)快速校準(zhǔn)VCO，并選擇相同的校準(zhǔn)設(shè)置。初始化后，在不改變電源和鑒相器頻率的情況下，后續(xù)的頻率變化可以使用即時校準(zhǔn)快速完成。

  3.15 雙緩沖（影子寄存器）

  雙緩沖（也稱為“影子寄存器”）允許用戶編程多個寄存器而不立即生效，直到R0寄存器被編程后，這些寄存器的設(shè)置才會生效。這對于需要快速改變頻率且需要多次寄存器寫入的應(yīng)用非常有用。

  3.16 輸出靜音引腳與乒乓方法

  可以使用MUTE引腳對輸出緩沖器進(jìn)行靜音或取消靜音操作，該引腳的極性可通過PINMUTE_POL位編程。輸出靜音時，PLL仍保持鎖定狀態(tài)，可用于組合多個合成器以實(shí)現(xiàn)更快的鎖定時間。

四、應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)

4.1 未使用引腳的處理

在某些應(yīng)用中，并非所有引腳都需要使用。對于未使用的引腳，需要根據(jù)其類型進(jìn)行適當(dāng)處理。例如，單端輸入時，OSCIN_N引腳應(yīng)通過50-Ω電阻交流耦合到地；單端輸出時，未使用的輸出引腳應(yīng)端接到一個與使用的輸出負(fù)載相似的負(fù)載；未使用的輸入和輸出引腳可以懸空，并在軟件中關(guān)閉相應(yīng)功能；未使用的數(shù)字輸入引腳應(yīng)接地。

4.2 外部環(huán)路濾波器

LMX2820需要一個特定于應(yīng)用的外部環(huán)路濾波器，可通過PLLatinum Sim進(jìn)行配置。從VTUNE引腳向外看的阻抗對VCO相位噪聲有重要影響，特別是對于三階濾波器，該阻抗主要由C3決定；對于二階濾波器，主要由C1決定。為了獲得最佳的VCO相位噪聲，與該引腳并聯(lián)的電容應(yīng)至少為1.5 nF，并應(yīng)靠近VTUNE引腳放置。

4.3 即時校準(zhǔn)的使用

即時校準(zhǔn)可以使設(shè)備在2.5 μs內(nèi)快速校準(zhǔn)VCO，并選擇相同的校準(zhǔn)設(shè)置。初始化步驟包括正常上電、編程INSTCAL_DLY、設(shè)置INSTCAL_EN、將設(shè)備設(shè)置為輸出5.65 GHz、編程INSTCAL_PLL_NUM、寫入R0寄存器啟動校準(zhǔn)和等待鎖定檢測信號變高。初始化完成后，在不改變電源和鑒相器頻率的情況下，后續(xù)的頻率變化可以快速完成。

4.4 典型應(yīng)用設(shè)計(jì)

以生成6-GHz輸出信號為例，從100-MHz時鐘源開始設(shè)計(jì)。首先選擇VCO頻率為6 GHz，然后選擇200-MHz的鑒相器頻率，通過使用OSC_2X倍頻器，使設(shè)備工作在整數(shù)模式下，以獲得最佳的相位噪聲性能。使用PLLatinum Sim軟件設(shè)計(jì)環(huán)路濾波器，得到各元件的值為：C1 = 390 pF，C2 = 68 nF，C3 = 1.8 nF，R2 = 68 Ω，R3 = 18 Ω。實(shí)際測量結(jié)果顯示，該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了36 fs的抖動，性能出色。

4.5 初始化與上電時序

為了確保設(shè)備正常工作，需要遵循正確的上電時序。包括初始上電時的Power-on Reset（POR）電路復(fù)位、等待電源電壓達(dá)到最小值、手動進(jìn)行軟件復(fù)位、按降序編程寄存器、等待內(nèi)部LDO上電、再次編程R0寄存器啟動VCO校準(zhǔn)、等待VCO校準(zhǔn)完成和模擬PLL鎖定。

五、電源供應(yīng)與布局建議

5.1 電源供應(yīng)

如果對分?jǐn)?shù)雜散有較高要求，可以在每個電源引腳使用鐵氧體磁珠來減少雜散。LMX2820集成了LDO，提高了對電源噪聲的抗干擾能力。可以使用外部DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器（如TPS62150）為其供電。不同配置下各引腳的電流消耗有所不同，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行電源設(shè)計(jì)。

5.2 布局準(zhǔn)則

• 接地處理：GND引腳應(yīng)通過封裝背面連接到DAP，確保良好的接地。
• OSCIN引腳：OSCIN引腳內(nèi)部有偏置，必須進(jìn)行交流耦合。
• SRREQ引腳：如果不使用SRREQ引腳，可將其接地到DAP。
• VTUNE引腳電容：為了在200 kHz至1 MHz范圍內(nèi)獲得最佳的VCO相位噪聲，靠近VTUNE引腳的電容應(yīng)至少為1.5 nF。如果需要限制環(huán)路帶寬，該電容值可以適當(dāng)減小，但會犧牲VCO相位噪聲。
• 單端輸出：如果需要單端輸出，另一端應(yīng)具有相同的負(fù)載?？梢酝ㄟ^過孔將互補(bǔ)端路由到電路板的另一側(cè)，并使該負(fù)載與使用的一側(cè)等效。
• 熱管理：確保設(shè)備的DAP通過多個銅填充過孔良好接地，并使用與LMX2820暴露焊盤大小相同的散熱墊，添加過孔以提高散熱性能。
• 材料選擇：使用低損耗的介電材料（如Rogers 4350B）可以提高輸出功率。

六、總結(jié)

LMX2820 22.6-GHz寬帶PLLatinum? RF合成器憑借其卓越的性能、豐富的功能和靈活的設(shè)計(jì)，為雷達(dá)、5G、測試測量等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用提供了強(qiáng)大的支持。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體需求，合理設(shè)計(jì)輸入路徑、PLL參數(shù)、VCO校準(zhǔn)和電源供應(yīng)等，同時注意布局準(zhǔn)則，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢。電子工程師們在使用LMX2820時，需要深入理解其工作原理和特性，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場景進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的系統(tǒng)解決方案。你在使用類似合成器的過程中，遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？不妨在評論區(qū)分享一下你的經(jīng)驗(yàn)和想法。