采用ADI公司ADF4107芯片研制C波段频率合成器
本次与大家分享的是世健和adi联合举办的《世健·adi工业趴：放飞思路，解封你的超能力》主题活动的二等奖文章：《采用adi公司adf4107芯片研制c波段频率合成器》。
作者：rf-刘海石
01
背景
本文主要是采用adi公司的adf4107频率合成器芯片，设计一款c波段本振源，主要用于ku波段卫星下变频。具体应用详情客户没有透露太多，这个我也明白，因为这个是某研究所的项目，只说了频率范围是4.8-5.2ghz。这款产品目前在应用中，下面我们分享下怎么设计这个频率合成器。
02
产品简介
首先在这里简单叙述下锁相式频率合成器的原理。
锁相环是一个相位负反馈系统，利用锁相技术来产生所需要的频率，是第二代频率合成技术。早期的间接频率合成器是利用模拟锁相环，它在输出较高的频率时，需要大量的混频器和分频器，以及带通滤波器，因此它的缺点很明显，而且很难弥补。数字锁相环弥补了模拟锁相环的这些缺点，数字锁相环由鉴相器，分频器，环路滤波器，压控振荡器等几部分组成。
下面是一个单环整数分频锁相环的框图。如图1所示：
图1.单环整数分频锁相环框图
由上图很容易看出数字锁相环主要由鉴相器，环路滤波器，压控振荡器和分频器组成。现代的锁相环芯片内部包括电荷泵电路。
基本原理：参考晶振产生稳定的基准频率，然后被参考分频器r分频，分频后的频率就是鉴相频率，作为鉴相器的一个输入信号。鉴相器检测鉴相频率与n分频器输出频率的相位差，输出平均值与该相位差成比例的直流电流。鉴相器输出的脉冲电流经过滤波和积分产生调节电压，该电压驱动外接的压控振荡器，来增加或者减小输出频率，直到鉴相器的平均输出为零。
环路滤波器就是低通滤波器，有两种方式：
1、无源滤波器，通常由电阻和电容构成。
2、有源滤波器，通常由电阻、电容和运算放大器组成。
具体详细设计，请参考锁相环书籍或者其它文献，这里不多叙述了。
接下来，设计如何实现一个c波段的频率合成器，该频率合成器技术指标如下：
频率范围：4.8ghz---5.2ghz
频率步进：1mhz
杂散抑制：≤-50dbc
谐波抑制：≤-50dbc
相位噪声：≤-60dbc/hz@ 1khz
≤-75dbc/hz@ 10khz
≤-110dbc/hz@ 100khz
输出功率：≥10dbm
工作温度：-40~+50℃
03
设计方案
鉴相器选择
鉴相器选择，在所用的频率范围内，尽量低的归一化噪声基底，具有良好的杂散指标，市面上的种类也比较多，如analog devices、hittite、maxim、ti等品牌。本产品输出频率在c波段，经过对比，决定采用adi公司的adf4107芯片，该芯片具有高达7ghz的带宽，在芯片内部集成了一个低噪声数字鉴相器，内部一个精密的电荷泵，可编程预分配器，一个前置双模分频器，和可编程计数器。单电源供电，供电电压2.7~3.3v，市面很多降压芯片都可以满足。采用3线串口控制，使用起来非常方便。如图2所示。adf4107芯片内部示意图：
图2.adf4107内部示意图
vco选择
vco选择，本产品选的的压控振荡器芯片为：z~communications公司的v950me08-lf，技术参数如下：
1、输出频率：4450----5350mhz
2、工作电压：+5v
3、工作电流：30ma
4、输出功率：0dbm
5、压控灵敏度：120mhz/v
6、压控范围：0~9.5v
7、相位噪声：-87dbc/hz@10khz
下面是厂商给出的压控频率曲线，如图3所示：
图3.压控振荡器的压控曲线
环路滤波器
环路滤波器在锁相环电路中作用至关重要，它与锁相环各项指标密切相关。调整环路滤波器的元件参数，可以有效的改善锁相环的相位噪声和杂散指标。由于adf4107的电荷泵最大在5v左右，根据vco压频曲线，输出频率在5.2ghz时，压控电压在7v以上，所以需要采用有源环路滤波器。
设计环路滤波器时可以借助adi公司提供的仿真软件adisimpll 来进行设计，如图4所示：
图4.adisimpll软件仿真电路图
通过adisimpll软件仿真得出的环路滤波器参数只是一个初始值，在实际电路中，按照这个初始值制作的锁相环路很有可能出现不能锁定，或者达不到系统技术指标等问题，一次必须对环路参数进行反复调整使之达到最佳。
下图是仿真的相位噪声，如图5所示：
图5.仿真相位噪声曲线
图5是仿真出来的相位噪声，中心频率4.9ghz，相位噪声为-80dbc/hz@1khz。
由于技术要求频率合成器输出功率＞10dbm，vco输出只有0dbm，在经过功率分配，最终输出只有-3dbm，所以在vco输出端口增加推动放大器，放大器采用adi公司的adl5545。如图6所示：
图6.adl5545芯片介绍
如图6可知，该放大器的带宽覆盖了30mhz~6ghz，输入输出端口内匹配到50欧姆，这也省去了外部调节匹配的麻烦，为产品设计节省了宝贵的时间。p1db：+18dbm@900mhz，就在5ghz的频段p1db也在10dbm以上。电路简单，+5v单电源供电，很好的兼容了系统设计。
具体参数如图7所示：
图7.adl5545芯片测试图
如图7所示，给出的频率范围是4ghz~6ghz，正好所设计的频率合成器落在这个频率范围内，如图知：在4.8ghz~5.2ghz，该放大器增益大概有17db，p1db在10dbm以上，oip3大于30dbm，证明该放大器的线性度良好，所以采用此放大器进行设计。
04
电路设计
如图8所示，为本项目设计的c波段频率合成器电路图。频率合成器采用adf4107芯片，外围电路参考技术手册。参考晶振采用kds温补晶振，如需更高精度，可以采用恒温晶振。vco采用z~communications公司的v950me08-lf，前面已经介绍了，这里不再叙述了，环路滤波器采用有源滤波，用adi公司的ad820运算放大器设计，可以参考adi simpll软件进行设计，最后功率放大采用adi公司的adl5545进行放大，连起来就是一个完整的频率合成器电路。单片机电路我没有给出（我用的是stc单片机），可以用不同型号的单片机去控制，3线串口，很简单。
图8.频率合成器电路图
在这里主要说下，在vco输出与放大器之间加入了π衰减，主要调节射频输出的增益，要保证adl5545的线性度。
05
背景
该pcb采用ro4350b高频板材设计，介电常数3.66，板材厚度0.762mm，如图9所示：
图9.频率合成器pcb
外壳采用6061铝合金，cnc加工，屏蔽盒内部隔档，防止互相串扰。
屏蔽盒尺寸：长800mmx宽55mmx高23mm，如图10所示：
图10.频率合成器实物
06
实际测试
采用r&s频谱仪进行相位噪声测试如图11所示：
图11.相位噪声测试图
如图11所示，中心频率4.9ghz，测试相位噪声：-111dbc/hz@100k。
交付客户，客户自己测试的频率合成器相位噪声，如图12所示：
图12.客户测试相位噪声
中心频率4.9ghz，测试相位噪声：
-65.9dbc/hz@1k
-77.7dbc/hz@10k
-110dbc/hz@100k
通过以上测试对比，基本满足客户需求，这个源的指标还可以提升，但是需要反复调整环路滤波器，需要大量的时间。
07
总结调试中遇到的问题
在本次设计中，最大的工作量就是调试环路滤波器，因为环路滤波器决定了频率合成器的好坏，也可以说环路滤波器是频率合成器的核心。所以需要反复调整，达到最佳。
下面按照实际电路来分析，如图13所示：
图13.环路滤波器电路图
1、环路带宽的调整
图13电路中，c1和c3对环路带宽的影响最大，电容增大，带宽变窄，电容减小，带宽变宽。
2、带内插损的调整
图13电路中，r1对带内插损影响最大，电阻值增大，插损变大，电阻值减小，插损减小。
3、带内波动的调整
图13电路中，r3和c2对带内波动的影响较大，增大电阻，带内波动减小，但是电阻和电容同时也会影响环路带宽和插损，所以要结合起来调整。
还有个重要的问题。
在设计的时候在电路中加了max232，作为上位机和频率合成器的通信，调试的时候发现，max232振荡产生了开关频率，然后调制到载波两端，一开始以为是鉴相器泄漏的，继续调整环路，经过反复调整都没有改善，后来才发现是max232振荡的原因，所以pcb板上把max232去掉了，最终解决了这个问题。
建议：频率合成器内部最好不要用dc-dc电源直接给频率合成器或者vco供电，认可牺牲效率也要用线性电源，除非能把开关频率彻底抑制，否则就会调制到载波两端，很难弄掉。
以上是如何设计一个频率合成器的所有过程，至于一些细节理论问题还需参考书籍和文献，最主要的就是环路滤波器的调试，方法我已经分享了。调试就要看基本功了。
免责声明：本文仅代表作者个人观点，与主办方adi、excelpoint世健以及eeworld无关。
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01
背景
本文主要是采用adi公司的adf4107频率合成器芯片，设计一款c波段本振源，主要用于ku波段卫星下变频。具体应用详情客户没有透露太多，这个我也明白，因为这个是某研究所的项目，只说了频率范围是4.8-5.2ghz。这款产品目前在应用中，下面我们分享下怎么设计这个频率合成器。
02
产品简介
首先在这里简单叙述下锁相式频率合成器的原理。
锁相环是一个相位负反馈系统，利用锁相技术来产生所需要的频率，是第二代频率合成技术。早期的间接频率合成器是利用模拟锁相环，它在输出较高的频率时，需要大量的混频器和分频器，以及带通滤波器，因此它的缺点很明显，而且很难弥补。数字锁相环弥补了模拟锁相环的这些缺点，数字锁相环由鉴相器，分频器，环路滤波器，压控振荡器等几部分组成。
下面是一个单环整数分频锁相环的框图。如图1所示：
图1.单环整数分频锁相环框图
由上图很容易看出数字锁相环主要由鉴相器，环路滤波器，压控振荡器和分频器组成。现代的锁相环芯片内部包括电荷泵电路。
基本原理：参考晶振产生稳定的基准频率，然后被参考分频器r分频，分频后的频率就是鉴相频率，作为鉴相器的一个输入信号。鉴相器检测鉴相频率与n分频器输出频率的相位差，输出平均值与该相位差成比例的直流电流。鉴相器输出的脉冲电流经过滤波和积分产生调节电压，该电压驱动外接的压控振荡器，来增加或者减小输出频率，直到鉴相器的平均输出为零。
环路滤波器就是低通滤波器，有两种方式：
1、无源滤波器，通常由电阻和电容构成。
2、有源滤波器，通常由电阻、电容和运算放大器组成。
具体详细设计，请参考锁相环书籍或者其它文献，这里不多叙述了。
接下来，设计如何实现一个c波段的频率合成器，该频率合成器技术指标如下：
频率范围：4.8ghz---5.2ghz
频率步进：1mhz
杂散抑制：≤-50dbc
谐波抑制：≤-50dbc
相位噪声：≤-60dbc/hz@ 1khz
≤-75dbc/hz@ 10khz
≤-110dbc/hz@ 100khz
输出功率：≥10dbm
工作温度：-40~+50℃
03
设计方案
鉴相器选择
鉴相器选择，在所用的频率范围内，尽量低的归一化噪声基底，具有良好的杂散指标，市面上的种类也比较多，如analog devices、hittite、maxim、ti等品牌。本产品输出频率在c波段，经过对比，决定采用adi公司的adf4107芯片，该芯片具有高达7ghz的带宽，在芯片内部集成了一个低噪声数字鉴相器，内部一个精密的电荷泵，可编程预分配器，一个前置双模分频器，和可编程计数器。单电源供电，供电电压2.7~3.3v，市面很多降压芯片都可以满足。采用3线串口控制，使用起来非常方便。如图2所示。adf4107芯片内部示意图：
图2.adf4107内部示意图
vco选择
vco选择，本产品选的的压控振荡器芯片为：z~communications公司的v950me08-lf，技术参数如下：
1、输出频率：4450----5350mhz
2、工作电压：+5v
3、工作电流：30ma
4、输出功率：0dbm
5、压控灵敏度：120mhz/v
6、压控范围：0~9.5v
7、相位噪声：-87dbc/hz@10khz
下面是厂商给出的压控频率曲线，如图3所示：
图3.压控振荡器的压控曲线
环路滤波器
环路滤波器在锁相环电路中作用至关重要，它与锁相环各项指标密切相关。调整环路滤波器的元件参数，可以有效的改善锁相环的相位噪声和杂散指标。由于adf4107的电荷泵最大在5v左右，根据vco压频曲线，输出频率在5.2ghz时，压控电压在7v以上，所以需要采用有源环路滤波器。
设计环路滤波器时可以借助adi公司提供的仿真软件adisimpll 来进行设计，如图4所示：
图4.adisimpll软件仿真电路图
通过adisimpll软件仿真得出的环路滤波器参数只是一个初始值，在实际电路中，按照这个初始值制作的锁相环路很有可能出现不能锁定，或者达不到系统技术指标等问题，一次必须对环路参数进行反复调整使之达到最佳。
下图是仿真的相位噪声，如图5所示：
图5.仿真相位噪声曲线
图5是仿真出来的相位噪声，中心频率4.9ghz，相位噪声为-80dbc/hz@1khz。
由于技术要求频率合成器输出功率＞10dbm，vco输出只有0dbm，在经过功率分配，最终输出只有-3dbm，所以在vco输出端口增加推动放大器，放大器采用adi公司的adl5545。如图6所示：
图6.adl5545芯片介绍
如图6可知，该放大器的带宽覆盖了30mhz~6ghz，输入输出端口内匹配到50欧姆，这也省去了外部调节匹配的麻烦，为产品设计节省了宝贵的时间。p1db：+18dbm@900mhz，就在5ghz的频段p1db也在10dbm以上。电路简单，+5v单电源供电，很好的兼容了系统设计。
具体参数如图7所示：
图7.adl5545芯片测试图
如图7所示，给出的频率范围是4ghz~6ghz，正好所设计的频率合成器落在这个频率范围内，如图知：在4.8ghz~5.2ghz，该放大器增益大概有17db，p1db在10dbm以上，oip3大于30dbm，证明该放大器的线性度良好，所以采用此放大器进行设计。
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电路设计
如图8所示，为本项目设计的c波段频率合成器电路图。频率合成器采用adf4107芯片，外围电路参考技术手册。参考晶振采用kds温补晶振，如需更高精度，可以采用恒温晶振。vco采用z~communications公司的v950me08-lf，前面已经介绍了，这里不再叙述了，环路滤波器采用有源滤波，用adi公司的ad820运算放大器设计，可以参考adi simpll软件进行设计，最后功率放大采用adi公司的adl5545进行放大，连起来就是一个完整的频率合成器电路。单片机电路我没有给出（我用的是stc单片机），可以用不同型号的单片机去控制，3线串口，很简单。
图8.频率合成器电路图
在这里主要说下，在vco输出与放大器之间加入了π衰减，主要调节射频输出的增益，要保证adl5545的线性度。
05
背景
该pcb采用ro4350b高频板材设计，介电常数3.66，板材厚度0.762mm，如图9所示：
图9.频率合成器pcb
外壳采用6061铝合金，cnc加工，屏蔽盒内部隔档，防止互相串扰。
屏蔽盒尺寸：长800mmx宽55mmx高23mm，如图10所示：
图10.频率合成器实物
06
实际测试
采用r&s频谱仪进行相位噪声测试如图11所示：
图11.相位噪声测试图
如图11所示，中心频率4.9ghz，测试相位噪声：-111dbc/hz@100k。
交付客户，客户自己测试的频率合成器相位噪声，如图12所示：
图12.客户测试相位噪声
中心频率4.9ghz，测试相位噪声：
-65.9dbc/hz@1k
-77.7dbc/hz@10k
-110dbc/hz@100k
通过以上测试对比，基本满足客户需求，这个源的指标还可以提升，但是需要反复调整环路滤波器，需要大量的时间。
07
总结调试中遇到的问题
在本次设计中，最大的工作量就是调试环路滤波器，因为环路滤波器决定了频率合成器的好坏，也可以说环路滤波器是频率合成器的核心。所以需要反复调整，达到最佳。
下面按照实际电路来分析，如图13所示：
图13.环路滤波器电路图
1、环路带宽的调整
图13电路中，c1和c3对环路带宽的影响最大，电容增大，带宽变窄，电容减小，带宽变宽。
2、带内插损的调整
图13电路中，r1对带内插损影响最大，电阻值增大，插损变大，电阻值减小，插损减小。
3、带内波动的调整
图13电路中，r3和c2对带内波动的影响较大，增大电阻，带内波动减小，但是电阻和电容同时也会影响环路带宽和插损，所以要结合起来调整。
还有个重要的问题。
在设计的时候在电路中加了max232，作为上位机和频率合成器的通信，调试的时候发现，max232振荡产生了开关频率，然后调制到载波两端，一开始以为是鉴相器泄漏的，继续调整环路，经过反复调整都没有改善，后来才发现是max232振荡的原因，所以pcb板上把max232去掉了，最终解决了这个问题。
建议：频率合成器内部最好不要用dc-dc电源直接给频率合成器或者vco供电，认可牺牲效率也要用线性电源，除非能把开关频率彻底抑制，否则就会调制到载波两端，很难弄掉。
以上是如何设计一个频率合成器的所有过程，至于一些细节理论问题还需参考书籍和文献，最主要的就是环路滤波器的调试，方法我已经分享了。调试就要看基本功了。
免责声明：本文仅代表作者个人观点，与主办方adi、excelpoint世健以及eeworld无关。
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选择TVS管时需要注意哪些参数
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配电室环境监控系统概述及主要功能
基于FPGA的NCO设计方案
Raspberry Pi Pico微型控制板发布，搭载首款自研RP2040芯片
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