集成锁相环频率合成器LMX2320的原理与应用

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摘要：介绍了美国National Semiconductor公司生产的锁相式频率合成器LMX2320的内部结构及原理功能，深入研究了LMX2320的结构特点，并在此基础上给出了一个基于LMX2320的环路滤波器的设计方案，该方案可较好地满足工程设计中对相位噪声的要求。
关键词：锁相环；频率合成；环路滤波；LMX2320

[size=+1]1引言
  
美国国家半导体公司（National Semiconductor）生产的LMX2320是一种高性能的集成锁相环频率合成器芯片，它在一块很小的芯片内集成了锁相式频率合成器的多种重要部件，使用时只需再合理搭配上一、二块集成电路和少量的外围电路，即可构成一个完整且可靠性很高的频率合成器，该芯片设计应用简单灵活，且能减小系统体积。

[size=+1]2 LMX2320的结构及性能
[size=+1]  2．1 LMX2320的结构

   
图1为LMX2320的结构功能方框图，它主要由数字鉴相器、参考振荡器、参考分频器、程序分频器以及电流开关电荷泵等电路组成。其主要特性如下：
   
●工作频率高达2．0GHz；
   
●电源电压范围为2．7～5．5V；
   
●电流消耗典值为10mA；
   
●具有64／65或128／129可选的双模前置分频器；
   
●内含平衡式、低泄漏电荷泵；
   
●具有节能工作模式。在Vcc＝3V时，电流消耗典型值为30μA；
   
●采用20脚TSSOP封装。

   
2．2 LMX2320的引脚说明

   
LMX2320芯片各引脚的功能说明如下（括号内的数字为引脚号）：
   
OSCin（1）、OSCout（3）：参考振荡器的输入端、输出端，其中输入端具有Vcc／2的输入门限，由外部CMOS门或TTL门来驱动，也可用作外部提供的参考振荡器缓冲器；
   
Vp（4）：电荷泵的工作电压输入端，其输入电压必须大于Vcc；

   
Vcc（5）：电源电压输入端，范围为－0．3V～＋6．5V。电源滤波的旁路电容应尽可能靠近该脚，并直接连接到地；
   
Do（6）：内部电荷泵输出端，可通过环路滤波来控制外部VCO；
   
GND（7）：地；
   
LD（8）：锁定检测输出端，当环路处于锁定状态时，该脚输出高电平并有窄的负脉冲；
   
Fin（10）：前置分频器输入端，小信号输入；
   
CLK（11）：高阻CMOS时钟输入端，数据在时钟的上升沿进入各计数器和寄存器；
   
DATA（13）：高阻CMOS二进制串行数据输入端，数据传输顺序为：高位在前低位在后；
   
LE（14）：使能输入端，当LE端变为高电平时，移位寄存器中的数据将传送到相应的闭锁。LE电平由高到低或由低到高变化时，CLK端必须保持在低电平（见图2所示的时序图）；
   
FC（15）：相位选择控制端，低电平时鉴相器和电荷泵的极性反转；
   
BISW（16）：模拟开关输出端，当LE为高电平时，模拟开关接通，此时，内部电荷泵的输出信号才可经BISW端送出（不影响Do端信号）；
   
Fout（17）：鉴相器输入信号的监控端，CMOS输出；
      
φp（18）、φr（20）：鉴相器的输出端，用作外部电荷泵的输入，其中φp是一N沟道晶体管的漏极开路输出，使用时需接一上拉电阻，φr为CMOS输出；
   
PWDN（19）：节能控制输入端，高电平时为正常模式，低电平是为节能模式；
   
NC（2、9、12）：悬空不连；
   
图2给出了CLK、DATA和LE端的控制信号时序。
[size=+1]3典型应用
  
以LMX2320为核心，选择适当的外部VCO，设计出相应的环路滤波器，即可构成低噪声、低功耗、高稳定度的频率合成器。图3是某通信信号模拟器中的一个频率合成器组的应用实例。该频率合成器的输出频率范围较宽，为760MHz～940MHz，频率间隔为25kHz，如选用20MHz 的外部高精度恒温晶振作参考振荡器，则参考分频比为800，环路总分频比为30400～37600。该双模前置分频器工作于64／65模式，可用微机并口对其进行控制。LMX2320内部的电荷泵输出误差电压经滤波后可作为控制电压来驱动压控振荡器JTOS1205。　

[size=+1]4环路滤波器的设计
  
在通信设备中，频率合成器无论是用作发射机的激励信号源，或者接收机的本地振荡信号源，还是单独作为无线电测量设备中的标准信号发生器时，都应保证很低的相位噪声，否则通信质量就无从谈起。因此必须根据指标要求选择高性能的频率合成器芯片和低噪声的VCO以及设计滤波特性良好的环路滤波器。环路滤波器的作用是抑制鉴相器输出电压中的载频分量和高频噪声，降低由VCO控制电压的不纯而引起的寄生输出。由于各种杂散干扰信号在环路中所影响的位置不同，因此所表现的噪声特性也有所不同，这样在设计环路滤波器时就需要具体分析干扰来源，合理选择滤波器参数，以获得最佳的滤波性能。LMX2320 推荐使用二阶或高阶无源低通滤波器，图4为三阶低通滤波器的电路图。由于无源环路滤波器所能提供的调谐电压动态范围不够大，而在图3所示的应用实例中的频率合成器的带宽要求较高，以及VCO的控制电压范围较大，因此在设计中对三阶无源滤波器做了一点改动，即增加了一级运算放大器来适应VCO控制电压的要求。

参考文献

1．LMX2315／LMX2320／LMX2325 PLLatinumTM Frequency Synthesizerf or RF Personal Com munications ．National Semiconductor．September1996

2．WilliamO．Keese．An Analysis and PerformanceEvaluation of a Passive Filter Deign Techniquefor Charge Pump Phase－Locked Loops．NationalSemiconductor Application Note 1001，May 1996     

3．张冠百．锁相与频率合成．电子工业出版社，1995

18380448489

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