主页   电子元器件  滤波器

六月 16 2021

基于芯片测试的环路滤波器设计


目录

1.外接环路滤波器设计
2.设计参数选择
3.测试验证
小结

  在进行小数分频频率合成器的芯片测试时,数字部分可以通过常规的数字测试方法即可以实现;而输出射频信号的相位噪声、杂散噪声则需要芯片工作在正常的输出状态下才能测试;因此小数分频频率合成器芯片在测试时需要与外接环路滤波器(LF)、压控振荡器(VCO)才能构成完整的锁相环回路,在具备正常的芯片功能的前提下才能实现对其相位噪声、杂散噪声下的测试。本文以ADF4153小数分频频率合成器为例,研究了其外围环路滤波器的设计方法,给出了基于芯片测试的环路滤波器设计流程,并进行了验证测试。

  1.外接环路滤波器设计

  环路滤波器是电荷泵锁相环电路的重要环节,它连接在电荷泵和压控振荡器之间。锁相环的基本频率特性是由环路滤波器决定的。实际上,正是由于环路滤波器的存在,锁相环才可以选择工作在任意的中心频率和带宽内。环路滤波器的类型多种多样,大致分为有源滤波器和无源滤波器两大类,无源滤波器与有源滤波器相比,其优点在于:结构简单、低噪声、高稳定度和易以实现。

  最常见的无源滤波器是如图1所示的三阶滤波器。一般而言,环路滤波器的带宽应为PFD频率(通道间隔)的1/10.提高环路带宽会缩短锁定时间。但环路带宽过大会大幅度地增加不稳定性,从而导致锁相环无法锁定的状态。

三阶环路滤波器

  图1 三阶环路滤波器

  三阶无源滤波器的传递函数为:

公式1

  其中:公式2

  联合公式(1)、(2)可以得出:公式3

  其中:K0=C2R2,K1=C1C2C3R2R3,K2=[(C1+C2)C3R3+(C1+C3)C2R2],K3=C1C2C3。

  为了求取C1、C12、C3和R1、R2的取值,首先需要确定设计需要的带宽及相位裕度,诸多文献给出了详细的求取步骤,在此不再敷述。然而,在实际的应用时,这种计算方法较为繁琐,不利于工程设计使用。

  ADI公司发布的ADIsimPLL频率合成器设计软件可以很方便地根据用户的使用要求进行环路滤波器的设计。它将应用工程师从繁杂的数学计算中解脱出来。应用者只要输入设置环路滤波器的几个关键参数,ADISimPLL就可以自动地计算出所需要的滤波器元器件的数值。这些参数包括:鉴相频率PFD,电荷泵电流ICP,环路带宽BW,相位裕度,VCO控制灵敏度Kv,滤波器的形式(有源或无源,阶数)。然而,在芯片测试时,如何尽可能地将外界电路(如环路滤波器)引入的噪声降低,以测试出芯片的真实性能,这是芯片外围电路设计时需要解决的问题。

  2.设计参数选择

  为了研究环路滤波器对锁相环输出频率相位噪声的影响,设计出符合芯片测试需要的外围环路滤波器。本文在ADIsimPLL软件中进行了如下仿真配置。器件型号:ADF 4153,fPFD=25MHz(理想信号源),INT=69,FRAC=101,MOD=125,VCO采用ZComm公司的V674ME34-LF,在该配置下,预期输出的RFOUT=1.7452GHz。

  (a)设定环路滤波器带宽为20kHz,相位裕度50°,其相位噪声的仿真情况如图2所示。

环路带宽20kHz时的相位噪声仿真图

  图2 环路带宽20kHz时的相位噪声仿真图

  从图2中可以得知,当环路滤波带宽为20kHz时,VCO所引起的相位噪声占据了主导地位。芯片所引起的相位噪声则被淹没在总输出噪声之下。换句话说,当环路带宽较窄(如20kH)的情况下,针对锁相环输出信号进行相位噪声测试,其结果并不能真正地反映芯片输出的相位噪声。

  (b)设定环路滤波器带宽为100kHz,相位裕度50°,其相位噪声的仿真情况如图3所示。

环路带宽为100kHz时的相位噪声仿真图

  图3 环路带宽为100kHz时的相位噪声仿真图

  从图3中可以得知,当环路滤波带宽为100kHz时,VCO对于总相位噪声的贡献显着地降低,芯片所引起的相位噪声占据了主导地位,在10kHz以内,总相位噪声输出的曲线基本与芯片所引起的相位噪声重合。由此可以得知,当环路带宽较宽(如100kHz)的情况下,针对锁相环输出信号进行相位噪声测试,其结果基本能真正反映芯片输出的相位噪声。

  本文研究的ADF 4154的主要测试频点为1.7452GHz(fPFD=25MHz,RSET=5.1k),根据测试要求进行综合的考虑,设定了环路带宽75kHz,相位裕度50°的约束条件。在进行ADF 4153的外围电路设计时,首先需要确认所使用的VCO型号及其标称性能。然后再根据ADI公司提供的ADIsim-PLL软件进行三阶环路滤波器的设计。从软件得出C1~C3、R2、R3的具体取值,再根据现有的标称电容电阻值进行调整,反算出实际设计的环路带宽及相位裕度。实际数据如表1所示。

表1三阶环路滤波器电容与电阻的取值.jpg

表1三阶环路滤波器电容与电阻的取值

  由此,我们确定了环路滤波器中各个电容、电阻的取值,并设计了可用于ADF 4153芯片测试的电路原理图,如图4所示。VCO的输出不仅需要连接外部频谱仪进行测试,还需要通过电容反馈到ADF 4153的REFINA端,同时REFINA端还需要预留SMA头用于射频输入频率范围及灵敏度测试。一个简单的电阻网络用于完成VCO输出信号功率的再分配。

环路滤波器及射频电路设计

  图4 环路滤波器及射频电路设计

  3.测试验证

  在仿真的基础上,本文设计并加工了ADF4153的测试板,并按照计算的电容、电阻值组成了环路滤波网络。采用Agilent8257D射频信号源提供250MHz作为fREFIN,通过SPI端口设定fPFD=25MHz,N=69,4/5分频模式,ICP=5mA,FRAC=101,MOD=125。使用频谱仪测量输出信号,能够正常锁定在1.7452GHz,如图5所示。图6为该频点的相位噪声测试图,实测相位噪声为-106.34dBc/Hz.环路带宽约为85kHz,与理论值77.3kHz存在一定的差距。这是由于在仿真时并没有考虑测试板走线及测试插座等存在的寄生电容所导致的偏差,但仍在合理范围以内。

输出信号频谱

  图5 输出信号频谱

相位噪声测试图

  图6 相位噪声测试图

  针对芯片进行不同工作模式下的相位噪声及杂散进行测试,测试结果如表2、3所示。

表2不同模式的相位噪声测试数据

表2不同模式的相位噪声测试数据

表3不同模式下的杂散测试数据

表3不同模式下的杂散测试数据

  数据手册规定最低的相位噪声模式下5kHz频偏的相位噪声PN≤-95dBc/Hz,实测该点为-106.04dBc/Hz,测试结果满足要求。

  数据手册规定中间杂散模式下1MHz频偏的杂散SN≤-65dBc/Hz,实测该点为-84.99dBc/Hz,测试结果满足要求。

  综上所述,该滤波器的设计能达到预期的设计目标,满足不同模式下的杂散及相噪测试的要求,可用于ADF 4153芯片的性能测试。

  小结

  以上就是基于芯片测试的环路滤波器设计介绍了。本文主要基于芯片测试目的,针对外围电路中的环路滤波器设计来进行讨论,从而给出一种简单、易行的工程化计算方法和流程,并对其进行了验证测试,测试结果满足芯片测试的需要。目前这种方法已经应用于多款小数分频频率合成器的测试电路的设计中。

订购与质量

图片 产品型号 品牌 描述 数量 价格
(USD)
ADS1115IDGSR ADS1115IDGSR Company:Texas Instruments Remark:产品型号:ADS1115IDGSR 描述:集成电路ADC 16BIT SIGMA-DELTA 10VSSOP 分类:集成电路(IC),数据采集​​-模数转换器(ADC) 制造商:德州仪器 打包:切割带(CT) 零件状态:活性 In Stock:On Order
Inquiry
Price:call Inquiry
EP4SE360F35C4N EP4SE360F35C4N Company:Altera Remark:产品型号:EP4SE360F35C4N 描述:集成电路FPGA 744 I/O 1152FBGA 分类:集成电路(IC),嵌入式-FPGA(现场可编程门阵列) 制造商:英特尔 系列:STRATIX®IV E 打包:托盘 零件状态:活性 In Stock:On Order
Inquiry
Price:call Inquiry
AD5764ASUZ AD5764ASUZ Company:Analog Devices Remark:产品型号:AD5764ASUZ 描述:集成电路DAC 16BIT V-OUT 32TQFP 分类:集成电路(IC),数据采集​​-数模转换器(DAC) 制造商:ADI公司 系列:iCMOS® 打包:托盘 零件状态:活性 In Stock:On Order
Inquiry
Price:call Inquiry
STM32F103V8H6 STM32F103V8H6 Company:STMicroelectronics Remark:产品型号:STM32F103V8H6 描述:I2C MCU 32BIT 64KB 闪存 100LFBGA 类别:集成电路 (IC),嵌入式 - 微控制器 制造商:意法半导体 系列:STM32F1 电压 - 电源 (Vcc/Vdd):2V ~ 3.6V In Stock:On Order
Inquiry
Price:call Inquiry
S9S12GN16F1VLC S9S12GN16F1VLC Company:NXP Semiconductors Remark:产品型号:S9S12GN16F1VLC 描述:IC MCU 16BIT 16KB闪存32LQFP 分类:集成电路(IC),嵌入式-微控制器 制造商:恩智浦美国公司 系列:HCS12 打包:托盘 零件状态:活性 In Stock:On Order
Inquiry
Price:call Inquiry

相关文章

  • 基于74HC595芯片的驱动LED电路设计 ...
    74HC595芯片是74系列的一种,具有速度快、功耗小、操作简单的特点,可以方便地用于单片机接口进行驱动LED的操作。本文介绍这种芯片的特点和使用方法,并给出软硬件的设计实例。
  • 基于芯片AD9854的多功能信号源设计 ...
    为了实现高性价比、低相噪和低杂散的数字化信号源,本文提出了以直接数字频率合成芯片AD9854 为核心的设计方案。并详细论证了DSP、CPLD(comp lex p rogramm ...
  • 基于AD620芯片的心跳速率检测系统设计 ...
    心跳速率是反映身体健康状况的关键指标值,简单来说心跳速率就是指1分钟内心血管搏动的频次。心跳速率的检验能够为疾病诊断、患者的医护、选手训炼等工作中出示科学论证。近些年,世界各国研发...
  • 什么是芯片? ...
    我们通常所说的“芯片”指内含集成电路的硅片,体积很小,常常是计算机或其他电子设备的一部分。芯片(chip)或称微电路(microcircuit)、微芯片(microchip)、集成...
  • 芯片是怎么制造的? ...
    芯片是指内含集成电路的硅片,体积很小,常常是计算机或其他电子设备的一部分。从产品种类上来说,芯片的种类有几十种大门类,上千种小门类。但是芯片生产是一个点砂成金的过程,从砂子到晶圆再...
  • 芯片封装有哪些类型 ...
    芯片封装,简单点来讲就是把Foundry生产出来的集成电路裸片(Die)放到一块起承载作用的基板上,再把管脚引出来,然后固定包装成为一个整体。它可以起到保护芯片的作用,相当于是芯片...

0 条评论

留言

您的邮箱地址不会被公布

 
 
   
评分: