驱动高压锁相环频率合成器电路的VCO

锁相环（PLL）电路是一种反馈系统，它结合了压控振荡器（VCO）和鉴相器，使振荡器信号以正确的频率和相位跟踪施加的频率或相位调制信号。当需要从固定的低频信号产生稳定、更高的输出频率或需要快速频率变化时，可以使用PLL。典型用例是高频、电信和测量技术，用于实现滤波器、调制和解调以及频率合成。

图1所示为基于PLL的频率合成器的框图。VCO 生成输出信号。PLL将其保持在设定点频率，并锁定至参考频率。参考频率通常由非常精确的石英振荡器提供。在鉴相器前面的锁相环电路的反馈路径中设置了一个分频器，以通过可调系数降低VCO频率。

图1.锁相环框图。

VCO包含一个可调调谐元件，例如变容二极管，其电容随输入电压而变化。因此，PLL电路是VCO的一种反馈控制系统。VCO所需的输入或控制电压通常高于PLL电路可用的电源电压。电源电压通常为3.3 V或5 V，而VCO可能需要超过20 V的电压，具体取决于所需频率。为了产生更宽的频率范围，可以使用具有更宽调谐范围的VCO。支持千兆赫兹范围内VCO的简化电路示例如图2所示。

图2.ADF4150HV高压电荷泵电源的简化电路。

作为VCO，可以使用Synergy微波公司的DCYS100200-12。它允许在 28 V （V调整），如图 3 中的图形所示。

图3.DCYS100200-12 的控制电压与频率的关系。

产生高控制电压有几种可能性。一种是使用有源环路滤波器，它主要由一个高速放大器和一个低通滤波器组成，该滤波器对鉴相器（CP外） 变成干净的直流电压。作为替代方案，可以使用集成电荷泵的PLL频率合成器，例如ADI公司（ADI）的ADF4150HV，它不需要额外的有源环路滤波器。虽然这两种解决方案都需要高压电源，但ADF4150HV可以减少元件数量。还可以避免有源滤波放大器引起的失真和相位噪声。此外，ADF4150HV还允许实现小数N分频或整数N分频锁相环频率合成器。因此，VCO频率可以分频1、2、4、8或16，以便输出频率可以低至最低31.25 MHz。

ADF4150HV集成电荷泵所需的高电压可通过DC-DC升压转换器ADP1613产生，而不会影响PLL性能。ADP1613是一款集成功率晶体管的高效开关稳压器，可轻松实现高达20 V的输出电压。 通过使用额外的外部元件，特别是通过外部功率晶体管，也可以获得更高的输出电压。ADP1613的开关频率可在650 kHz至1.3 MHz范围内调节。这导致更好的瞬态响应和简单的噪声过滤。通常，建议选择大于1 MHz的开关频率，以便PLL环路滤波器降低开关噪声。

采用ADF4150HV的锁相环频率合成器电路采用集成RF分频器，提供超宽带PLL功能。它可实现 62.5 MHz 至 2 GHz 的频率覆盖范围。使用相同的PLL硬件设计，可以为系统中的多种不同硬件平台生成不同的频率。但是，如果各种VCO类型需要设计，则在设计中加入相应的环路滤波器是有意义的。通过这种方式，可以确保锁相环可靠地运行。对于相对较宽的输出频率调节范围以及相关的较高输出功率，ADF4150HV的每个RF输出也需要一个小滤波器结构。27 nH电感与50 Ω电阻并联，可为高达3 GHz的频率提供良好的调节。电阻器提供定义的输出阻抗。较低的电感将导致频带扩展到较低的范围。

如今，在一个外壳中也可以提供用于更大频率范围（即PLL、滤波器和VCO）的集成解决方案，但由于不同组件之间的距离很近，这可能会导致不希望的耦合。分立式设计和由此产生的物理分离将这种风险降至最低。

PLL频率合成器仿真工具ADIsimPLL™还为HF功能模块和建模HF信号链的开发提供了有用的支持。它允许设计人员相对轻松地仿真可能影响PLL性能的所有重要非线性效应;例如，频率合成过程中不需要的杂散（杂散频率）。

审核编辑：郭婷