基于集成锁相环频率合成芯片PE3236实现锁相式频率合成器的设计
作者：赵颖辉，袁安民，戚云军
频率合成技术是产生频率源的一种现代化手段，他已广泛应用于通信、导航、电子侦察、干扰与反干扰、遥控遥测及现代化仪器仪表中。无线通信技术的快速发展，使得频率合成技术在通信中的作用日益显著。
以往的频率合成器都是用分立元件和小规模集成电路组装起来的，技术复杂，可靠性低、功耗大、体积大、成本高。随着半导体工艺和集成电路技术的快速发展，出现了许多用于频率合成的大规模集成电路。在这些大规模集成电路中，把频率合成器的主要部件如参考分频器、程序分频器、鉴相器、锁定指示器、甚至微处理器等集成在同一芯片上。再配上参考振荡器、压控振荡器、环路滤波器及高速前置分频器，即可构成完整的频率合成器。这使得频率合成器的成本、体积和功耗都大大下降，简化了设计和生产调试的复杂程度，而可靠性则明显提高。大规模集成锁相环频率合成器电路的出现，为频率合成器的应用开辟了广阔的前景。
1 频率合成器设计
所设计的频率合成器，要求相位噪声低，输出频率800～1 000 MHz，共88个波道，通过单片机发送的频率控制字进行波道选择。在对比各种大规模集成频率合成芯片性能的基础上，选用了单片大规模集成锁相环频率合成芯片PE3236作为核心电路，构成锁相式频率合成器。
1．1 集成锁相环频率合成芯片PE3236
集成锁相环频率合成芯片PE3236是Peregrine公司生产的一种高性能整数分频PLL芯片，最高分频频率可达2．2 GHz。PE3236采用了UTSiCMOS技术，具有超低相位噪声的优良性能，成为了蜂窝网／PCS基站、无线本地环路基站的理想选择。
PE3236由高速前置分频器、计数器、鉴相器和控制逻辑组成。高速前置分频器采用吞脉冲分频技术，通过模式选择确定对VCO输出频率÷10还是÷11；主计数器M和参考计数器R分别对双模前置分频器输出频率和参考频率进行分频；辅助计数器A用于模式选择控制逻辑；鉴相器产生上下频率控制信号；还具有鉴相频率检测、时钟检测引脚。各计数器的计数值可以通过串行或并行接口编程实现，也可以直接通过连线实现。该芯片具有功耗低、相位噪声低、杂散小、分频频率高、编程灵活方便等优点。
主计数器输出频率fp和参考计数器输出频率fc即为鉴相频率，他们和输入频率、参考频率的关系为：
fp＝fin／［10×（M＋1）＋A］ A≤M＋1，M≠0
fc＝fr／（R＋1） R≥0
当环路锁定时，应有：fp=fc。
因此，芯片的输入频率fin与参考频率fr的关系为：
1．2 频率合成器的设计
设计的频率合成器系统实现框图如图1所示。
通过串行口，来自单片机的频率控制字对集成锁相芯片PE3236的内部分频器进行设置，将所需频率fo进行10×（M＋1）次分频作为一路鉴相输入，将参考频率fr进行（R＋1）分频作为另一路鉴相输入，通过鉴相器后得到反映两路鉴相信号误差的输出PD_U 和PD_D-，PD_U和PD_D经过环路滤波器，对噪声和杂散等干扰进行抑制后得到VCO的控制电压，控制VCO工作，使VCO输出频率锁定在fo（fo＝［10×改变单片机控制数据，可以选择不同的波道。
1．3 环路滤波器对相位噪声性能的影响分析
随着无线电通信系统性能的提高，信号源相位噪声的要求常常是整个系统的制约因素。对频率合成器的相位噪声影响因素很多，这里对环路滤波器的影响作以简要分析。
在锁相环频率合成器中，环路滤波器的设计是非常重要的。在环路带宽内，鉴相器强迫压控振荡器（VCO）跟踪参考频率，将参考振荡器的相位噪声映射到VCO上。这一过程受到鉴相器噪声基底的支配，因为鉴相器噪声基底通常比参考振荡器的相位噪声高。由于补偿频率高于环路带宽，环路就不能很好的跟踪参考频率，总的相位噪声等于VCO的相位噪声，因此要将环路带宽设置在鉴相器噪声基底与VCO自由振荡时相位噪声的交叉点上。过宽和过窄的环路带宽虽然对VCO的相位噪声有一定的改善，但不能很好地提高PLL的相位噪声性能。
在本设计中，环路滤波器是由精密运算放大器OP27组成的有源比例积分滤波器，如图2所示。为了很好地降低PLL相位噪声，合适的选择环路元件值是非常必要的。
2 测试结果
在以上设计的基础上，制作了一个L波段的频率合成器，实测结果如下：
工作频率：800～1 000 MHz，88个波道。频率稳定度：±1×10－6。
输出功率：≥＋7 dBm。
相位噪声：≤－90 dB（偏离中心频率10 kHz处）。
3 结 语
随着雷达、电子对抗、航空航天、通讯及相关技术的发展，对频率合成技术的要求更加严格。集成锁相环频率合成器体积小、功耗小、成本低、功能全、灵活性大、适合大规模生产等优点，越来越引起了人们的重视。本文采用大规模集成锁相环频率合成芯片PE3236，设计并制作了一个L波段频率合成器。该频率合成器已经成功应用于分米波仪表着陆设备外场检测仪中，运行良好。
