基于MC145152-2芯片的频率合成器的设计
2006-10-12 来源：单片机与嵌入式系统ic网
1 引 言
频率合成技术是现代通信的重要组成部分，它是将一个高稳定度和高准确度的基准频率经过四则运算，产生同样稳定度和准确度的任意频率。随着大规模集成电路的发展，利用锁相环频率合成技术研制出了很多频率合成集成电路。其中，以摩托罗拉公司的MC14515x－2系列较为先进，本文将介绍一种基于MC145152－2芯片的频率合成器。这种锁相环频率合成器的稳定度和准确度与基准频率相当，不产生额外的误差。它在移动通信等领域有着广泛的应用。
2 MC145152－2芯片的特点及功能
MC145152－2芯片是摩托罗拉公司生产的锁相环频率合成器专用芯片。它是MC145152－1芯片的改进型。MC145152－2芯片具有下列主要特征：
（1）它与双模（P／（P＋1））分频器同时使用，有一路双模分频控制输出MC。当MC为低电平时，双模分频器用（P＋1）去除；当MC为高电平时，双模分频器用模数P去除。
（2）它有A计数器和N计数器两个计数器。它们与双模（P／（P＋1））分频器提供了总分频值（NP＋A）。其中，A、N计数器可预置。N的取值范围为3～1023，A的取值范围为0～63。A计数器计数期间，MC为低电平；N计数器计数（N－A）期间，MC为高电平。
（3）它有一个参考振荡器，可外接晶体振荡器。
（4）它有一个R计数器，用来给参考振荡器分频，R计数器可预置，R的取值范围：8，64，128，256，512，1024，1160，2048。
（5）它有两路鉴相信号输出，其中，ФR、ФV用来输出鉴相误差信号，LD用来输出相位锁定信号。
MC145152－2的供电电压为3．0 V～9．0 V，采用28脚双列封装形式。MC145152－2的原理框图如图1所示。
MC145152－2的工作原理：参考振荡器信号经R分频器分频后形成fR信号。压控振荡器信号经双模（P／（P＋1））分频器分频，再经A、N计数器分频器后形成fV信号，fV＝fVCO／（NP＋A）。fR信号和fV信号在鉴相器中鉴相，输出的误差信号（ΦR、ΦV）经低通滤波器形成直流信号，直流信号再去控制压控振荡器的频率。
当整个环路锁定后，fV＝fR且同相，fVCO＝（NP＋A）fV＝（NP＋A）fR，便可产生和基准频率同样稳定度和准确度的任意频率。
3 1 800 MHz频率合成器的设计〔1〕
3．1 1 800 MHz频率合成器元件的选取
锁相环频率合成器选用芯片MC145152－2。晶振选用10．24MHz的温补晶体，它的频率稳定度较高，可达10－8。低通滤波器选用运放芯片MC33171；双模分频器选用MC12054A芯片，模数P＝128，工作频率为2．0 GHz；压控振荡器选用变容管电调谐介质振荡器。
3．2 MC145152-2芯片参数的设计
R的取值范围＝512，RA2～RA0为100，
N的取值范围＝703，N9～N0为1010111111，A的取值范围＝16，A5～A0为010000。
R计数器、N计数器、A计数器可预置，各管脚接地为逻辑0，悬空为逻辑1。
3．3 1 800 MHz频率合成器电路的设计
1 800 MHz频率合成器电路图，如图2所示。
图2中，运放芯片MC33171构成了有源比例积分滤波器，在设计时首先选择合适的电容C，然后，再根据ωn、N、Kv、Kd和ξ计算R1和R2的值。
式（1）和式（2）中，Kv为压控振荡器电调灵敏度（rad／sV）；Kd为比相器灵敏度，Kd＝VDD／2π，VDD是运放的工作电压（VDD＝5 V），Kd单位取V／rad；N为总分频次数；ξ为锁相环路的阻尼系数，ξ的合适取值范围是在0．5～1．0之间，通常选择最佳起始点ξ＝0．707；ωn为环路自然谐振角频率，ωn值的选择将直接影响环路滤波特性和捕捉时间，为了保证环路对噪声有较好的抑制，ωn应该远小于鉴相频率ωd，通常可按式（3）选择
ωn＝ωd／（30～1 000），（3）
当噪声来源于参考频率和分频器时，ωn可以选择得小些；当噪声来源于压控振荡器时，ωn可选择得大些。
具体计算如下：
Kd＝VDD／（2π）＝5／（2π）＝0．796 V／rad，
故：R1选用4．7 kΩ电阻，R2选用120 kΩ电阻。
变容管电调谐介质振荡器〔2～4〕如图3所示，把变容管通过微带线与介质振荡器耦合形成电调谐电路，调谐电压加在变容管两端，改变变容管结电容，就可以实现谐振频率的调整。
这种介质振荡器体积小、高稳定、低噪声，能够满足锁相环路的要求。
4 测试结果
经测试，本频率合成器具有较低的相位噪声，在偏离载频100 Hz、1 kHz、10 kHz时，相位噪声分别为－35dBC、－65 dBC、－85 dBC（见图4）。它的频率稳定度也很高，在－20℃～＋55℃范围内可以稳定在10－8以内。
5 结束语
本文将锁相环频率合成器专用芯片MC145152－2、变容管电调谐介质振荡器用于1 800 MHz频率合成器中，使该频率合成器具有较低的相位噪声、很高的频率稳定度。与传统频率合成器相比，性能有了很大的提高。该频率合成器在移动通信等领域将有着广泛的应用。
1 何 强．一种先进的N分数锁相环频率合成器．电子工程师，2002（12）
2 中国集成电路大全编委会．微波集成电路．北京：国防工业出版社，1995
3 B S Virdee．Current Techniques for Tuning Dielectric Resonators．Microwave Journal，October 1998：130～1384 彭文峰，廖 佳，于小军．Ku波段高线性度DRO的设计．电子工程师，2002（12）
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频率合成技术是现代通信的重要组成部分，它是将一个高稳定度和高准确度的基准频率经过四则运算，产生同样稳定度和准确度的任意频率。随着大规模集成电路的发展，利用锁相环频率合成技术研制出了很多频率合成集成电路。其中，以摩托罗拉公司的MC14515x－2系列较为先进，本文将介绍一种基于MC145152－2芯片的频率合成器。这种锁相环频率合成器的稳定度和准确度与基准频率相当，不产生额外的误差。它在移动通信等领域有着广泛的应用。
2 MC145152－2芯片的特点及功能
MC145152－2芯片是摩托罗拉公司生产的锁相环频率合成器专用芯片。它是MC145152－1芯片的改进型。MC145152－2芯片具有下列主要特征：
（1）它与双模（P／（P＋1））分频器同时使用，有一路双模分频控制输出MC。当MC为低电平时，双模分频器用（P＋1）去除；当MC为高电平时，双模分频器用模数P去除。
（2）它有A计数器和N计数器两个计数器。它们与双模（P／（P＋1））分频器提供了总分频值（NP＋A）。其中，A、N计数器可预置。N的取值范围为3～1023，A的取值范围为0～63。A计数器计数期间，MC为低电平；N计数器计数（N－A）期间，MC为高电平。
（3）它有一个参考振荡器，可外接晶体振荡器。
（4）它有一个R计数器，用来给参考振荡器分频，R计数器可预置，R的取值范围：8，64，128，256，512，1024，1160，2048。
（5）它有两路鉴相信号输出，其中，ФR、ФV用来输出鉴相误差信号，LD用来输出相位锁定信号。
MC145152－2的供电电压为3．0 V～9．0 V，采用28脚双列封装形式。MC145152－2的原理框图如图1所示。
MC145152－2的工作原理：参考振荡器信号经R分频器分频后形成fR信号。压控振荡器信号经双模（P／（P＋1））分频器分频，再经A、N计数器分频器后形成fV信号，fV＝fVCO／（NP＋A）。fR信号和fV信号在鉴相器中鉴相，输出的误差信号（ΦR、ΦV）经低通滤波器形成直流信号，直流信号再去控制压控振荡器的频率。
当整个环路锁定后，fV＝fR且同相，fVCO＝（NP＋A）fV＝（NP＋A）fR，便可产生和基准频率同样稳定度和准确度的任意频率。
3 1 800 MHz频率合成器的设计〔1〕
3．1 1 800 MHz频率合成器元件的选取
锁相环频率合成器选用芯片MC145152－2。晶振选用10．24MHz的温补晶体，它的频率稳定度较高，可达10－8。低通滤波器选用运放芯片MC33171；双模分频器选用MC12054A芯片，模数P＝128，工作频率为2．0 GHz；压控振荡器选用变容管电调谐介质振荡器。
3．2 MC145152-2芯片参数的设计
R的取值范围＝512，RA2～RA0为100，
N的取值范围＝703，N9～N0为1010111111，A的取值范围＝16，A5～A0为010000。
R计数器、N计数器、A计数器可预置，各管脚接地为逻辑0，悬空为逻辑1。
3．3 1 800 MHz频率合成器电路的设计
1 800 MHz频率合成器电路图，如图2所示。
图2中，运放芯片MC33171构成了有源比例积分滤波器，在设计时首先选择合适的电容C，然后，再根据ωn、N、Kv、Kd和ξ计算R1和R2的值。
式（1）和式（2）中，Kv为压控振荡器电调灵敏度（rad／sV）；Kd为比相器灵敏度，Kd＝VDD／2π，VDD是运放的工作电压（VDD＝5 V），Kd单位取V／rad；N为总分频次数；ξ为锁相环路的阻尼系数，ξ的合适取值范围是在0．5～1．0之间，通常选择最佳起始点ξ＝0．707；ωn为环路自然谐振角频率，ωn值的选择将直接影响环路滤波特性和捕捉时间，为了保证环路对噪声有较好的抑制，ωn应该远小于鉴相频率ωd，通常可按式（3）选择
ωn＝ωd／（30～1 000），（3）
当噪声来源于参考频率和分频器时，ωn可以选择得小些；当噪声来源于压控振荡器时，ωn可选择得大些。
具体计算如下：
Kd＝VDD／（2π）＝5／（2π）＝0．796 V／rad，
故：R1选用4．7 kΩ电阻，R2选用120 kΩ电阻。
变容管电调谐介质振荡器〔2～4〕如图3所示，把变容管通过微带线与介质振荡器耦合形成电调谐电路，调谐电压加在变容管两端，改变变容管结电容，就可以实现谐振频率的调整。
这种介质振荡器体积小、高稳定、低噪声，能够满足锁相环路的要求。
4 测试结果
经测试，本频率合成器具有较低的相位噪声，在偏离载频100 Hz、1 kHz、10 kHz时，相位噪声分别为－35dBC、－65 dBC、－85 dBC（见图4）。它的频率稳定度也很高，在－20℃～＋55℃范围内可以稳定在10－8以内。
5 结束语
本文将锁相环频率合成器专用芯片MC145152－2、变容管电调谐介质振荡器用于1 800 MHz频率合成器中，使该频率合成器具有较低的相位噪声、很高的频率稳定度。与传统频率合成器相比，性能有了很大的提高。该频率合成器在移动通信等领域将有着广泛的应用。
参考文献
1 何 强．一种先进的N分数锁相环频率合成器．电子工程师，2002（12）
2 中国集成电路大全编委会．微波集成电路．北京：国防工业出版社，1995
3 B S Virdee．Current Techniques for Tuning Dielectric Resonators．Microwave Journal，October 1998：130～1384 彭文峰，廖 佳，于小军．Ku波段高线性度DRO的设计．电子工程师，2002（12）
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