高性能锁相芯片ADF4113的工作原理及应用电路分析

锁相环(ｐｈａｓｅｌｏｃｋｅｄｌｏｏｐ)是一种建立在相位负反馈基础之上的闭环控制系统，对相位噪声和杂散具有很好的抑制作用，因此在电视、仪器、通信等许多领域得到了广泛的应用。ＡＤＩ公司生产的ＡＤＦ４１１３的最大ＲＦ输入频率可达４ＧＨｚ，内置可编程预分频器，具有电荷泵电流编程功能，可应用于无线射频通信系统基站和手机、ＷＬＡＮ以及通信检测设备、ＣＡＴＶ设备中，是一款性价比很高的电荷泵锁相芯片。

１、主要性能及工作原理

ＡＤＦ４１１３可用于无线射频通信系统基站、手机、ＷＬＡＮ、通信检测设备及ＣＡＴＶ设备中，其主要性能特点如下：

●工作电压：２．７～５．５Ｖ，同时还提供外部可调的电荷泵电压调节功能；

●最高鉴相芯片５５ＭＨｚ，最高ＲＦ输入频率达４ＧＨｚ；

●具有四组可编程双模分频器８／９、１６／１９、３２／３３、６４／６５；

●内置可编程电荷泵电流和可编程反冲（ａｎｔｉｂａｃｋｌａｓｈ）脉宽功能；

●编程控制采用３线串行接口；

●能够进行模拟和数字锁定检测；

●软硬件断电模式；

●具有良好的相位噪声参数，鉴相频率为２００ｋＨｚ时，相噪基底为－１６４ｄＢｃ／Ｈｚ；输出９００ＭＨｚ时，相噪可达－９１ｄＢｃ／Ｈｚ＠１ｋＨｚ；输出１９６０ＭＨｚ时相噪为－８５ｄＢｃ／Ｈｚ＠１ｋＨｚ；鉴相频率１ＭＨｚ、输出３１００ＭＨｚ时相噪为－８６ｄＢｃ／Ｈｚ＠１ｋＨｚ。

图１所示为ＡＤＦ４１１３的原理框图，它由一个低噪声数字鉴相器、一个高精度电荷泵、一个可编程参考分频器（Ｒ分频器）、一个可编程Ａ、Ｂ计数器以及一个双模分频器（Ｐ／Ｐ＋１）组成。６位Ａ计数器、１３位Ｂ计数器与双模分频器（Ｐ／Ｐ＋１）共同组成了Ｎ分频器，分频比Ｎ＝ＢＰ＋Ａ。只需外加一个环路滤波器和压控振荡器（ＶＣＯ），就可以构成一个完整的锁相环电路。输出频率为：ｆＶＣＯ＝Ｎ（ｆＲＥＦ／Ｒ），其中，ｆＲＥＦ为参考频率，频率步进等于ｆＲＥＦ／Ｒ。

高性能锁相芯片ADF4113的工作原理及应用电路分析

２、引脚功能

ＡＤＦ４１１３有ＴＳＳＯＰ和ＬＦＣＳＰ两种封装形式，引脚排列如图２所示。各引脚功能如下：

ＲＳＥＴ：用来设置最大电荷泵输出电流，外接一个电阻ＲＳＥＴ并连接至ＣＰＧＮＤ，换算关系为：ＩＣＰｍａｘ＝２３．５／ＲＳＥＴ（Ｍａ）；

ＣＰ：电荷泵输出，接环路滤波器；

ＣＰＧＮＤ：电荷泵地；

ＡＧＮＤ：模拟地；

ＲＦＩＮＢ：ＲＦ互补输入，一般接一个１００ｐＦ的去耦电容；

ＲＦＩＮＡ：ＲＦ输入（来自ＶＣＯ的ＲＦ信号耦合输入）；

ＡＶＤＤ：模拟电源，电压范围为：２．７～５．５Ｖ；去耦电容应尽量靠近该引脚；ＡＶＤＤ必须和ＤＶＤＤ一致；

ＲＥＦＩＮ：参考晶振输入；

ＤＧＮＤ：数字地；

ＣＥ：芯片使能端，逻辑“１”有效；

ＣＬＫ：串行时钟输入端，在每个ＣＬＫ的上升沿，串行数据锁入寄存器；

ＤＡＴＡ：串行数据输入端，首先装入的是最高有效位ＭＳＢ，控制位在最低两位设置；

ＬＥ：加载使能，该位为逻辑“１”时，存储在２４位移位寄存器中的数据将全部装入指定的锁存器中，锁存器的选择由控制位来决定；

ＭＵＸＯＵＴ：模拟或数字锁定检测端；

ＤＶＤＤ：数字电源，２．７～５．５Ｖ，去耦电容应尽量靠近该引脚；ＤＶＤＤ大小必须和ＡＶＤＤ一致；

ＶＰ：电荷泵电源，应大于或等于ＶＤＤ，最高可到６Ｖ。

３、编程控制

ＡＤＦ４１１３的数字部分包括一个２４位输入移位寄存器、一个１４位Ｒ计数器和一个１９位Ｎ计数器（含Ａ、Ｂ计数器）。图３给出了数据输入的时序图。数据（ＤＡＴＡ）在每个时钟（ＣＬＫ）的上升沿从ＭＳＢ（最高有效位）开始依次写入２４位移位寄存器中，直到ＬＳＢ位写入完成之后，由来自ＬＥ的上升沿将存储在２４位移位寄存器中的数据一次性锁存入目标寄存器（包括Ｒ计数锁存器、Ｎ计数锁存器、功能锁存器以及初始化锁存器），接着再进行下一个目标寄存器的初始化工作。目标寄存器的选择由移位寄存器中的最末两位ＤＢ１、ＤＢ０来决定。

４、应用电路

图４是利用ＡＤＦ４１１３设计的２．５ＧＨｚ锁相环电路，其中单片机选用Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司的ＰＩＣ１６Ｆ８７４，串行数据采用ＳＰＩ方式写入；ＶＣＯ选用Ｍｉｎｉ公司的ＲＯＳ－３０００Ｖ。芯片使能端ＣＥ直接与电源连接，鉴相频率ｆＰＤ取２５ＭＨｚ，５０ＭＨｚ参考晶振从ＲＥＦＩＮ输入，因此参考分频比Ｒ＝２；ＶＣＯ分两路输出，一路作为频综输出，另外一路输出至ＡＤＦ４１１３的ＲＦＩＮＡ端，经Ｎ分频后与来自Ｒ分频器的参考频率进行鉴相并产生一个误差信号，该误差信号从ＣＰ输出经有源三阶环路滤波后驱动ＶＣＯ，最终锁定在２．５ＧＨｚ的频点上。调整环路滤波电路中的电阻和电容可以改变环路参数，阻尼系数ζ一般取０．７０７。这里分频比Ｎ＝２５００ＭＨｚ／２５ＭＨｚ＝１００，Ｐ取１６，由Ｎ＝ＢＰ＋Ａ得Ｂ＝６，Ａ＝４。４个２４位锁存器的初始化设置如下：

ＦＵＮＣＴＩＯＮ锁存器：０１０１１１１１１０００００００１００１００１０；

ＩＮＩＴＩＡＬＩＺＡＴＩＯＮ锁存器：０１０１１１１１１０００００００１００１００１１；

Ｒ计数锁存器：００００００００００００００００００００１０００；

ＡＢ计数锁存器：０００００００００００００１１００００１０００１。

最后测得电路在２．５ＧＨｚ输出时的相位噪声为－９３ｄＢｃ／Ｈｚ＠５ｋＨｚ，测试频谱如图５所示。