双环集成锁相环频率合成器MBl5U36的性能特点及典型应用分析
作者：谷国栋;田波;张永顺
1 引言
随着无线电技术的迅猛发展，雷达、导航、宇宙飞行、导弹及空间探索工作都需要高稳定度、高精度的频率源。锁相振荡源具有频率稳定度高、相位噪声低、易于集成等突出优点，因而成为通信、雷达、武器制导和电子测量仪器等系统的核心部件。在射频及微波系统中，采用串行码数据输入的数字式电荷泵频率合成器，外接压控振荡器（vco）和环路滤波器，即可组成锁相（pll）频率源。它具有电路设计简单、功耗低、可灵活编程控制分频比来调整锁相环路的工作频率等优点，在3ghz以下均可方便地直接构成pll振荡源。目前，具有代表性的产品是美国国家半导体公司的lmx23xx系列、菲利普公司的umal0系列和sa小数分频系列、富士通公司的mb15系列频率合成器。
本文介绍的富士通公司生产的mbl5u36是一种高性能的双环集成锁相环频率合成器，芯片内集成了锁相频率合成器的多种重要部件，使用时只需再合理搭配上一或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，该电路的设计简单，应用灵活，且能减小系统体积。
2 mbl5u36的结构及性能
2．1mbl5u36的结构
mbl5u36为串行码数据输入的数字式电荷泵型频率合成器，图1示出其结构框图，两环路组成结构的形式相同，主要包括鉴相器、电荷泵、可编程数字分频器（主程序分频器、参考分频器）、前置分频器等部分。其主要特性如下：最高工作频率1．2ghz（rf2）、2．0ghz（bfl）；具有64／65或128／129可选的双模前置分频器；电源电压范围为3．0v～5．5v；电流消耗典型值为6ma；内含平衡式、低泄漏电荷泵；具有节能工作模式。在vcc=3v时，电流消牦典型值为10μa；采用20引脚ssop型封装。
2．2 mbl5u36的引脚功能
mbl5u36的引脚排列形式如图2所示，括号内的数字为引脚号。
osgin（8）和oscout（9）是参考振荡器的输入端和输出端，外接温度补偿晶体振荡器或晶体时，通过交流耦合到输入端。
vcc1（1）是rf1-pll（频率合成器1）电源电压输入端，电压范围为3v～5．5v，电源滤波的旁蹋器应尽可能靠近该脚，并直接连接到地。
v cc12（20）是rf2-pll（频率合成器2）电源电压输入端，电压范围为3v～5．5v，电源滤波的旁路器应尽可能靠近该脚，并直接连接到地。
vp1（2）是rf1-pll电荷泵的工作电压输入端。
vp2（19）是rf2-pll电荷泵的工作电压输入端。
do1（3）是rf1-pll内部电荷泵输出端，可通路滤波器来控制外部vco。
do2（18）是rf2-pll内部电荷泵输出端，可环路滤波器来控制外部vco。
fin1 （5）是rf1-pll的前置分频器输入端，号输入，通过交流耦合形式连接vco。
fin2（16）是rf2-pll的前置分频器输入端，号输入，通过交流耦合形式连接vco。
xfin1 （6）是rf1-pll前置分频器补充输入端接旁路电容器应尽可能靠近该脚，并直接连接到地。
xfin2（15）是rf2-pll前置分频器补充输人竭接旁路电容器应尽可能靠近该脚，并直接连接到地。
gnd1（4，7）是rf1-pll接地端。
gnd2（14，17）是rf2-pll接地端。
ld／fout（10）是锁定检测输出或相位比较监测输出端，输出方式可通过串行格式编程数据流的lds和fds位进行选择。
clock（11）是22位移位寄存器时钟输入端，数据在时钟的上升沿进入各个寄存器。
data（12）是串行数据输入端，根据串行格式编程数据流中控制位的设置，数据被传输到相应的锁存器。
le（13）是使能输入端，当le端变为高电平时，根据串行格式编程数据流中控制位的设置，移位寄存器中的数据将传送到相应的闭锁。
图3示出clock、data和le端的控制信号时序。
3 典型应用
我们采用串行码数据输入的数字式微波频率合成器设计的pll振荡源，可作为某通信系统干扰机的本振源。以mbl5u36为核心，选择适当的外部vco，设计相应的环路滤波器，设计构成的低噪声、高稳定度的频率合成器组成框图如图4所示。两个环路锁定在同一个温补参考晶振（tcxo）频率上，各环路分别接各自的vco及三阶环路滤波器。各环路的分频比、参考分频比率等数据（data）在基带部分的cpu上设定后，与时钟信号（clock）、使能信号（le），按串行格式通过bus总线一同送入。选用的晶振参考频率为10mhz，环路1输出频率范围为1 720mhz～1 850mhz，频率间隔为200khz，参考分频比为50，环路总分频比8 600～9 250。环路2输出频率范围为740mhz～960mhz，频率间隔为20khz，参考分频比为500，环路总分频比37 000～48 000。双模前置分频器工作于64／65模式，mbl5u36内部电荷泵输出误差经环路滤波器后驱动压控振荡器，从而形成锁相环路。
4 环路滤波器设计
频率合成器应保证很低的相位噪声，必须根据指标要求选择高性能的频率合成器、低噪声的vco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。对电荷泵型的频率合成器，mb15u36推荐使用二阶或高阶无源低通滤波器，图5为三阶低通环路滤波器。我们采用开环增益带宽和相位裕度法推导出滤波器元件计算公式，当环路带宽ωp，vco的电调灵敏度kr、主分频比n、鉴相灵敏度kp及对鉴相频率所需增加的额外衰减a确定以后，可编制出计算三阶环路滤波器的程序，只需输入已知参数，即可得到元件的标称值。其中，n值变化较大，可按n=√n1n2取值，n1从分别为最小和最大环路分频比（例如本文环路2设计中对n的取值采用n= √n1n2=2 261）。利用此程序计算出环路滤波器的元件值，实验证明计算结果可靠，设计的环路滤波器元件值在图中标出。
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本文介绍的富士通公司生产的mbl5u36是一种高性能的双环集成锁相环频率合成器，芯片内集成了锁相频率合成器的多种重要部件，使用时只需再合理搭配上一或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，该电路的设计简单，应用灵活，且能减小系统体积。
2 mbl5u36的结构及性能
2．1mbl5u36的结构
mbl5u36为串行码数据输入的数字式电荷泵型频率合成器，图1示出其结构框图，两环路组成结构的形式相同，主要包括鉴相器、电荷泵、可编程数字分频器（主程序分频器、参考分频器）、前置分频器等部分。其主要特性如下：最高工作频率1．2ghz（rf2）、2．0ghz（bfl）；具有64／65或128／129可选的双模前置分频器；电源电压范围为3．0v～5．5v；电流消耗典型值为6ma；内含平衡式、低泄漏电荷泵；具有节能工作模式。在vcc=3v时，电流消牦典型值为10μa；采用20引脚ssop型封装。
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mbl5u36的引脚排列形式如图2所示，括号内的数字为引脚号。
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vcc1（1）是rf1-pll（频率合成器1）电源电压输入端，电压范围为3v～5．5v，电源滤波的旁蹋器应尽可能靠近该脚，并直接连接到地。
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vp1（2）是rf1-pll电荷泵的工作电压输入端。
vp2（19）是rf2-pll电荷泵的工作电压输入端。
do1（3）是rf1-pll内部电荷泵输出端，可通路滤波器来控制外部vco。
do2（18）是rf2-pll内部电荷泵输出端，可环路滤波器来控制外部vco。
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