基于HMC833的小数分频频率源设计

本文先介绍了小数分频锁相环的基本原理，然后运用HMC833锁相环芯片，提出了小数分频频率源的低相噪低杂散设计方法。

【关键词】小数分频锁相环 HMC833 相位噪声 杂散

引言

频率综合器作为系统收发组件的本振源， 广泛应用于在雷达、通讯、导航、遥感遥测等诸多领域。相较于整数分频模式的锁相环，小数分频锁相环以其极小的频率分辨率和优良的相位噪声等特性获得了大量应用。

1 基本原理

小数分频锁相环由鉴相器、低通滤波器、压控振荡器、双模分频器组成。由于数字分频器本身无法实现小数分频，只能通过整数次分频，采取平均等效的方式来实现小数分频。假设双模分频器工作在两个分频比N和N+1之间，在A个参考输入脉冲期间分频比为N，在B个参考输入脉冲期间分频比为N+1，则等效的小数分频比为：

其中N代表整数分频比，F即是小数分频比。

由于小数分频比是通过等效方式实现的，在实际小数分频的工作过程中，会产生一种周期性的相位差。通过鉴相器转化为压控振荡器控制端的一个交流信号，叠加在控制直流信号上，对VCO造成频率调制，产生输出寄生杂散，这种杂散就是小数杂散。

通用的小数杂散消除方法是Sigma-Delta调制法，目前小数分频锁相环芯片内部都集成了多位三阶Sigma-Delta调制器，既可以实现小数分频，又能消除杂散。因为Sigma-Delta调制器的输出是随机序列，导致双模分频器的分频比亦随机变化，环路的相位误差也具有随机性，不再呈现周期性变化，所以VCO的控制电压只有直流分量，消除了其低频交流成分，达到了消除杂散的目的。同时，Sigma-Delta调制器所引入的量化噪声大多分布于高频处，可以通过高阶的环路滤波器滤除量化噪声。

2 应用实例

频率综合器指标如下：

参考晶振：50 MHz；

输出频率：891.2 MHz；

输出相位噪声：≤一120 dBc/Hz@1 kHz；

杂散抑制：≥70dB。

由于输出频率和参考频率不是整数倍关系，用整数锁相环芯片不能实现指标，通常采取混频方式，但方案较繁锁，所需元器件较多。如果设计有小体积和低功耗的要求，可以考虑用小数分频锁相环来实现。常用的小数分频锁相环芯片厂商有ADI和Hittite公司，Hittite的芯片鉴相频率较高，归一化相位噪底较好；综合考虑，选取HMC833来设计频率综合器。

2.1 芯片介绍

HMC833是Hittite公司推出的一款宽带锁相环芯片，该芯片可工作于整数分频模式和小数分频模式，工作频率范围为25MHz～6000MHz，最高鉴相工作频率能到100MHz，归一化相位噪底有-227dBc/Hz，分辨率为鉴相频率的1/224，芯片封装是LP6，尺寸仅为6×6mm。芯片其内部集成了VCO，基本频率是1500MHz～3000MHz，后面集成的分频器和倍频器可将频率扩展到25MHz～6000MHz。输出功率变化范围为0～9 dBm，并且可以3 dB步进调节。

2.2 相位噪声设计考虑

频率综合器的相位噪声在环路带宽内，输入晶振、鉴相器和分频器的相位噪声起主导作用，并且都有20LogN的恶化作用；而在环路带宽外，主要由VCO的相位噪声决定。为了实现技术指标的要求，通常选取的晶振相位噪声都要优于鉴相器的相位噪声。HMC833的归一化相位噪底为-227dBc/Hz，鉴相频率为50MHz，N值为18，理论上的频率综合器的相位噪声为-227+10log50+60+20log18=-125dBc/Hz。

为了能达到理论设计值，相位噪声主要从以下几个方面来考虑：

（1）电源滤波。数字供电和模拟供电最好分开，由单独的稳压芯片滤波后提供；电荷泵和VCO的供电需要大电容滤波，不然会增加噪声。

稳压芯片可以考虑采用LT、NS和ADI公司的低噪声稳压芯片。

（2）环路滤波器设计。变窄环路滤波器的带宽时，鉴相器、电荷泵和Sigma-Delta调制器的噪声可以得到很好的抑制，但是VCO近端的相位噪声抑制变小，有可能引起频率综合器的相位噪声整体上抬。变宽环路滤波器的带宽时，频率综合器的相位噪声由VCO远端的相位噪声决定。因此，需要合理的选择环路带宽，才能达到最佳相位噪声。

（3）设置芯片的寄存器值。调整电荷泵寄存器的增益和偏移幅度对频率综合器的相位噪声和杂散都有影响。

2.3 杂散设计考虑

小数分频锁相环主要有参考杂散、整数边界杂散和小数杂散等三种杂散。参考杂散通常出现在偏离载波频率值为参考频率的整数倍的地方，一般都远大于环路带宽的频率，可以通过环路滤波器滤除；设计中PCB布局不合理也可能影响到参考杂散泄露到VCO的控制端。整数边界杂散是VCO频率与鉴相器频率间的交互作用导致的杂散，当这些频率不是整数倍关系时，杂散边带将以一定的偏移频率出现在VCO输出频谱上，该偏移频率与整数倍数的PFD和VCO频率之间的拍频或差频相对应。本项目的一阶偏移频率为8.8MHz，一阶整数边界杂散出现在882.4MHz处；二阶偏移频率为32.4MHz，二阶整数边界杂散出现在858.8MHz和923.6处；这些杂散都落在环路带宽外，可以通过环路滤波器加以衰减。以前的小数分频锁相环芯片要求设置模数，这个模数会产生通道间隔频率，比如通道间隔频率为100KHz，导致的小数杂散频率也为100KHz。HMC833使用了大的固定模数224，通道间隔非常小，使Sigma-Delta调制器的量化误差频谱近似为宽带白噪声，将小数杂散有效分布到噪声里。因此小数杂散几乎忽略不计，而小数分頻锁相环的相位噪声会受到大约3dB的恶化。

3 结论

本文利用小数分频锁相环芯片来设计点频频率源，代替了传统的混频等整数锁相方式，在体积、功耗和成本都有一定优越性。

参考文献

[1]Hittite Microwave Corporation.HMC833 LP6GE Datasheet，2011.

[2]柳星普，李青平，冯占群.HMC830芯片的一种应用[J].产业与科技论坛，2013（09）.

[3]朱勇锋.基于ADF4157的Σ-△小数分频锁相环频率合成器设计[J].测试测量技术，2011（05）.

作者单位

中国电子科技集团公司第26所 重庆市 400060