应用LMX2370设计双锁相环频率合成器

    摘要：介绍了美国国家半导体公司新推出的低功耗单片双锁相环芯片LMX2370的结构、原理、特点，给出了LMX2370在V/UHF航空电台频率合成器中的应用实例。

    关键词：锁相环  频率合成器  通信

1 LMX2370简介

LMX2370是美国国家半导体公司新推出的高性能、低功耗、双锁相环芯片，其主要特点有：宽工作电压2.7～5.5V；超低功耗（6mA）；低相位噪声层；双模前置分频比可编程（主环P=32/33或16/17，副环P=16/17或8/9）；工作频率高，主环达2.5GHz(P=32/33)或1.2GHz(P=16/17)，副环达1.2GHz(P=16/17)或550MHz(P=8/9)。

1.1 LMX2370的结构及工件原理

LMX2370的内部结构如图1所示。它包含两路鉴相器、电流充电泵、可编程15bit参考分频器R和反馈频率分频器N。其中，N分频器由可编程前置分频器P、整数分频器B和吞除计数器A组成，N=PB+A。来自外部晶体振荡器的信号（OSCin）经R分频后，作为参考频率fr，加到鉴相器；压控振荡顺（VCO）的反馈频率fvco，经N分频后，也加到鉴相器。鉴相器对两输入信号进行相位比较我，驱动电流充电泵输出误差信号，经片外环路滤波器滤后，形成调谐电压，调整VCO频率，直至环路锁定，fvco=N·fr，此时锁定检测（LD）为高电平。

1.2 LMX2370引脚功能

LMX2370的封装形式有20脚TSSOP和24脚CSP。各引脚功能如表1所示。

表1

1.3 LMX2370的三线串行接口及编程数据格式

LMX2370提供了符合MICROWIRE TM协议的三线串行接口线：时钟、数据、使能。在时钟上升沿，数据移入位寄存器，最高有效位（MBS）先入；在使能上升沿，移位寄存器的22位数据将锁存到串行数据最后2位（地址位）所指定的锁存器。

22位串行编程数据格式如表2所示。

表2

（1）Bit1和Bit0是4个锁存器（主环的N和R锁存器，副环的N和R锁存器）的地址。

（2）反馈频率分频比N=PB+A，A的分频比范围为0～31，B的分频比范围为3～8191。要求B≥A，N≥Nmin=P·(P-1)。参考分频比R的范围为2～32767，但R的选择必须使fr≤10MHz。

（3）R锁存器中，Bit19用于选择充电泵输出方式，Bit19=0为正常方式，Bit19=1为三态方式。Bit18用于选择充电泵输出电流幅度，Bit18=0选择±1mA，Bit18=1选择±4mA。Bit17用于选择鉴相器极性，VCO压控系数为负时选择Bit17=0,压控系数为正时选择Bit17=1。Bit21和Bit20（分别记为LD3，LD2、LD1、LD0）用于选择FOLD输出方式，当LD3LD2LD1LD0编程为0001时，FOLD输出主环锁定信号；编程为0100时，FOLD输出副环的锁定信号；编程为0101时，FOLD输出主环和副环锁定“与”信号；其它编码组合用于输出鉴相器输入端的频率信号。

（4）N锁存器中，Bit20用于选择前置分频比P，对主环，Bit20=0选择16/17，Bit20=1tfrc32/33;对副环，Bit20=0选择8/9，Bit20=1选择16/17。Bit21用于选择电源工作方式，Bit21=0选择正常方式，Bit21=1选择省电（体眠）方式。

2 LMX2370应用举例

这里，以某型V/UHF航空收发信机为例，说明LMX2370在该设备频率合成器中的应用。

2.1 V/UHF航空收发信机频率合成器要求

该收发信机的收发工作频率为30～399.975MHz，频率间隔为25kHz，频率稳定度为±1ppm；第一中频为900Mz，第二中频为20MHz或70Mz。一本振为930～1299.9MHz，频率间隔为100kHz；二本振为829.925～830MHz或879.925～880MHz，频率间隔为25kHz。

2.2 合成器电路设计

依据频率合成器的要求，选择LMX2370作业核心芯片，外接晶体振荡器、无源环路滤波器和VCO，构成如图2所示的电路。

2.2.1 晶体振荡器

N7选用8MHz温被晶体振荡器，其频率稳定度为±1ppm。

2.2.2 VCO

N3（VCO1）和N5（VCO2）选用HE403.HE403的电源电压为12V，工作频率范围为800～1500MHz，调谐电压范围为0～20V，输出功率≥13dBm，频偏10kHz时相位噪声为-100dBc/Hz。

2.2.3 LMX2370的编程

LMX2370的编程数据、时钟、使能信号由微控制器（87C552）提供。

设置主环R=80，副环R=320，于是主环fr1=100kHz，副环fr2=25kHz。由fvco1和fr1，可计算出主环的N=9300～12999;由fvco2和fr2，可计算出副环的N=33117～35200。前置分频比P的选择，需考虑VCO的频率范围且满足N≥Nmin=P·(P-1)的原则。依据主、副环的VCO频率和分频比N，选择主环P1=32/33，副环P2=16/17。选择CPO的极性为正（因HE403的压控系数为正），电流幅度为±4mA，三态输出方式；设置LD3LD2LD1LD0=0101，即选择FOLD输出双环综合锁定信号。

2.2.4 锁定检测电路

在环路锁定时，FOLD输出高电平，但存在很窄的负脉冲。为此，设置了由T1组成的FOLD信号处理电路。双环均锁定时，“合成器自检”输出线为稳定的低电平，该信号送微控制器，供电台自检状态使用。

2.2.5 环路滤波器

环路滤波器的设计主要是确定合理的环路带宽。本合成器的锁定时间要求不高（不超过2ms），但需尽量降低噪声。为此选择三阶无源滤波器（主环中的C15、C16、R1、R5和C17，副环中的C24、C25、R8、R9和C26），以增大对鉴相频率泄漏干扰的抑制。在主环中，VCO1输出频率1300MHz所需的调谐电压约12V，而环路滤波器的最大输出电压只有5V，为此，在环路滤波器插入了一级直流放大器（Av=3）。

已知主环参数：Kvco=50MHz/V,Kφ=4mA,fr=100kHz；选择：主环路带宽为10kHz，相位裕度为45°，R5、C17对100kHz鉴相频率泄漏干扰的附加衰减为20dB;依据锁相环的相位模型和环路滤波器元件参数计算式（详见参考文献2），得出主环环路滤波器的各元件参数如图2所示；又知副环参数：Kvco=50MHz/V，Kφ=4mA,fr=25kHz；选择副环路带宽为5kHz，相位裕度为45°，R9、C26对25kHz附加衰减为20dB,同理可计算出副环滤波器各元件参数如图2所示。

2.2.6 VCO输出级

选用DS323三路功率分配器作为VCO输出级。DS323的三路输出中同，第一路作为接收机本振信号，第二路加到发射机载波产生电路，第三路作为环路反馈信号。为了使VCO的输出功率主要供给前两路负载，在反馈输入端设置100Ω电阻（主环中的R6，副环中的R11）。

经实用测试，一本振输出功率为4.3dBm，杂散抑制-63dBc，偏离中心频率10kHz的相位噪声为-72dBc/Hz；二本振输出功率为5.1dBm，杂散抑制-66dBc，偏离中心频率10kHz的相位噪声为-75dBc/Hz。