探索LMX2487：1 - 6GHz高性能Delta - Sigma低功耗雙PLLatinum?頻率合成器

在當(dāng)今的電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，頻率合成器的性能至關(guān)重要，它直接影響著眾多設(shè)備的功能和穩(wěn)定性。今天，我們就來(lái)深入了解一下德州儀器推出的LMX2487頻率合成器，這是一款工作在1GHz - 6GHz的高性能Delta - Sigma低功耗雙PLLatinum?頻率合成器，它具備諸多出色的特性。

文件下載：lmx2487.pdf

特性亮點(diǎn)

四重模數(shù)預(yù)分頻器

LMX2487的RF PLL和IF PLL采用了四重模數(shù)預(yù)分頻器。RF PLL提供16/17/20/21或32/33/36/37的選擇，而IF PLL則有8/9或16/17的選擇。這種設(shè)計(jì)使得分頻更加靈活，能滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)頻率的需求。比如在一些需要高精度頻率控制的通信系統(tǒng)中，這樣的分頻方式可以提供更精準(zhǔn)的頻率輸出。

先進(jìn)的Delta - Sigma分?jǐn)?shù)補(bǔ)償

它支持12位或22位可選分?jǐn)?shù)模數(shù)，并且擁有高達(dá)4階的可編程Delta - Sigma調(diào)制器。這意味著它能夠有效地將低頻偏移處的分?jǐn)?shù)雜散信號(hào)推到環(huán)路帶寬之外的高頻處，從而降低雜散信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的干擾。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們可以根據(jù)系統(tǒng)對(duì)相位噪聲、雜散和鎖定時(shí)間的具體要求，選擇最佳的調(diào)制器階數(shù)。

改進(jìn)的鎖定時(shí)間

LMX2487具備快速鎖定和減少周期滑動(dòng)的功能，通過(guò)單字寫入即可改變頻率，還集成了超時(shí)計(jì)數(shù)器。這大大提高了頻率鎖定的速度和穩(wěn)定性，在需要快速切換頻率的應(yīng)用中，如跳頻通信系統(tǒng)，能夠顯著提升系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

寬工作范圍

RF PLL的工作范圍為1.0 GHz - 6.0 GHz，同時(shí)還具備數(shù)字鎖定檢測(cè)輸出、硬件和軟件掉電控制、片上輸入頻率倍增器、高達(dá)50 MHz的RF相位比較檢測(cè)器等實(shí)用特性。并且它能在2.5V - 3.6V的電壓下工作，ICC僅為8.5 mA，功耗較低，適合對(duì)功耗有嚴(yán)格要求的應(yīng)用。

應(yīng)用領(lǐng)域

由于其出色的性能，LMX2487適用于多種領(lǐng)域。在蜂窩電話和基站中，它可以為通信系統(tǒng)提供穩(wěn)定、精確的頻率信號(hào)；在衛(wèi)星和有線電視調(diào)諧器中，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的頻率合成；此外，還能應(yīng)用于WLAN標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備以及直接數(shù)字調(diào)制應(yīng)用中。

詳細(xì)功能分析

功能模塊

LMX2487集成了N計(jì)數(shù)器、R計(jì)數(shù)器和電荷泵，而TCXO、VCO和環(huán)路濾波器則需要外部提供。其功能框圖展示了各個(gè)模塊之間的連接關(guān)系，為我們理解其工作原理提供了清晰的框架。

各模塊特性

• TCXO、振蕩器緩沖器和R計(jì)數(shù)器：振蕩器緩沖器需由單端信號(hào)源驅(qū)動(dòng)，如TCXO。OSCout引腳可提供輸入信號(hào)的緩沖輸出，ENOSC引腳可確保OSCout引腳無(wú)論寄存器狀態(tài)如何都能激活。R計(jì)數(shù)器將TCXO頻率分頻至比較頻率。
• 相位檢測(cè)器：IF PLL的最大相位檢測(cè)器工作頻率相對(duì)簡(jiǎn)單，而RF PLL由于是分?jǐn)?shù)型，情況稍復(fù)雜。其最大相位檢測(cè)器頻率為50 MHz，但受N計(jì)數(shù)器的非法分頻比和晶體參考頻率的限制。在選擇相位檢測(cè)器頻率時(shí)，需要權(quán)衡相位噪聲和鎖定時(shí)間等因素。
• 電荷泵：大部分時(shí)間，電荷泵輸出為高阻抗，僅存在TRI - STATE泄漏電流。它能將相位檢測(cè)器的相位誤差轉(zhuǎn)換為校正電流，IF PLL的電流不可編程，而RF PLL的電流可分16級(jí)編程，并且在鎖定時(shí)可使用更高的電荷泵電流以縮短鎖定時(shí)間。
• 環(huán)路濾波器：設(shè)計(jì)環(huán)路濾波器時(shí)需要考慮諸多因素，對(duì)于Delta - Sigma PLL，環(huán)路濾波器的階數(shù)應(yīng)比Delta - Sigma調(diào)制器的階數(shù)高1。雖然理論上使用4階調(diào)制器時(shí)需要5階環(huán)路濾波器，但實(shí)際中通常使用4階濾波器。目前有很多仿真工具和參考資料可供我們進(jìn)行濾波器設(shè)計(jì)。
• N計(jì)數(shù)器和高頻輸入引腳：N計(jì)數(shù)器將VCO頻率分頻至比較頻率，由于使用了預(yù)分頻器，N值存在下限。高頻輸入引腳FinRF和FinIF的布局非常重要，建議VCO輸出先通過(guò)電阻衰減器，再經(jīng)過(guò)直流阻擋電容器，并且盡量靠近PLL放置。FinRF*引腳通常需要并聯(lián)一個(gè)電容，如典型值為100 pF，以確保在PLL工作頻率下阻抗接近交流短路。
• 數(shù)字鎖定檢測(cè)操作：RF PLL的數(shù)字鎖定檢測(cè)電路通過(guò)比較相位檢測(cè)器輸入相位與RC產(chǎn)生的延遲來(lái)判斷鎖定狀態(tài)。當(dāng)相位誤差小于RC延遲5個(gè)連續(xù)參考周期時(shí)，判定為鎖定；反之則為失鎖。在比較頻率較高時(shí)，可通過(guò)設(shè)置DIV4字來(lái)提高檢測(cè)精度。
• 周期滑動(dòng)減少和快速鎖定
  • 周期滑動(dòng)減少（CSR）：CSR通過(guò)在頻率采集期間降低比較頻率，同時(shí)保持環(huán)路帶寬不變，來(lái)減少周期滑動(dòng)的發(fā)生。在比較頻率與環(huán)路帶寬的比值較大時(shí)，CSR能顯著提高鎖定時(shí)間。
  • 快速鎖定（Fastlock）：Fastlock通過(guò)在頻率采集期間增加環(huán)路帶寬來(lái)提高鎖定速度。在比較頻率較低時(shí)，F(xiàn)astlock可能比CSR更有效，但它在解除鎖定時(shí)會(huì)產(chǎn)生干擾，且干擾在比較頻率較高時(shí)會(huì)更明顯。
• 分?jǐn)?shù)雜散和相位噪聲控制：控制分?jǐn)?shù)雜散需要綜合考慮多個(gè)因素，首先要區(qū)分主分?jǐn)?shù)雜散和子分?jǐn)?shù)雜散?？赏ㄟ^(guò)設(shè)置FM和DITH位來(lái)控制雜散和相位噪聲，同時(shí)調(diào)整分?jǐn)?shù)字也能改善雜散情況。

編程與寄存器設(shè)置

編程信息

LMX2487的24位數(shù)據(jù)寄存器通過(guò)MICROWIRE接口加載，用于編程R計(jì)數(shù)器、N計(jì)數(shù)器和內(nèi)部模式控制鎖存器。編程時(shí)，建議最后編程N(yùn)計(jì)數(shù)器，因?yàn)檫@會(huì)初始化數(shù)字鎖定檢測(cè)器和快速鎖定電路。

寄存器映射

它的寄存器分為基本寄存器和高級(jí)寄存器，基本寄存器包含實(shí)現(xiàn)PLL鎖定的關(guān)鍵信息，高級(jí)寄存器則用于優(yōu)化雜散、相位噪聲和鎖定時(shí)間性能。不同的寄存器控制著不同的功能，如R0寄存器控制RF N計(jì)數(shù)器值和分?jǐn)?shù)分子，R1寄存器控制RF PLL的分?jǐn)?shù)分母、R分頻器值、預(yù)分頻器位和電源控制位等。

應(yīng)用與設(shè)計(jì)建議

典型應(yīng)用

文檔中給出了LMX2487的典型應(yīng)用電路，包括電源濾波電容、環(huán)路濾波器組件等。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求，如相位裕度、環(huán)路帶寬、比較頻率等，選擇合適的參數(shù)。

電源與布局建議

電源方面，建議使用低噪聲穩(wěn)壓器，并為每個(gè)電源引腳提供單獨(dú)的旁路電容。布局時(shí)，高頻輸入引腳的走線應(yīng)盡量短，同時(shí)要確保接地和電源平面與電源引腳過(guò)孔保持一定距離，以減少雜散能量的耦合。

總之，LMX2487是一款功能強(qiáng)大、性能出色的頻率合成器，在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。但在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體的需求，合理選擇參數(shù)和進(jìn)行設(shè)計(jì)，才能充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。大家在使用過(guò)程中有沒(méi)有遇到過(guò)哪些特別的問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)交流討論。