探索LMX2820 22.6-GHz宽带PLLatinum™ RF合成器的卓越性能

在当今电子技术飞速发展的时代，高性能的RF合成器对于众多领域的应用至关重要。今天我们要深入探讨的是德州仪器（TI）的LMX2820 22.6-GHz宽带PLLatinum™ RF合成器，它具备多种强大特性，能满足雷达、5G等领域的严格需求。

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一、LMX2820的核心特性

1.1 频率输出与频谱纯度

• 宽频率范围：输出频率覆盖45 MHz至22.6 GHz，如此宽泛的范围使其能够适用于各种不同的应用场景。无论是低频的通信需求，还是高频的毫米波应用，LMX2820都能轻松应对。
• 低抖动性能：在6 GHz时实现36-fs rms抖动（12 kHz – 95 MHz），这一低抖动特性对于需要高精度信号的应用，如高速数据转换器时钟，尤为关键。它能有效减少信号失真，提高系统的整体性能。
• 低杂散输出： -95 dBc整数模式杂散（ (f_{PD}=100 MHz) ），保证了输出信号的高纯度，降低了杂散信号对系统其他部分的干扰。

  1.2 高性能PLL

• 高优值：优值达到 -236 dBc/Hz，反映了其在低噪声和低功耗方面的出色性能。
• 低1/f噪声：归一化1/f噪声为 -134 dBc/Hz，进一步提升了PLL的性能。
• 高鉴相器频率：支持400-MHz整数模式和300-MHz分数模式，能够提供更精确的频率控制。

  1.3 其他特性

• 快速VCO校准：2.5-µs的快速VCO校准时间，满足了需要快速切换频率的应用需求，例如雷达系统中的频率跳变。
• 静音功能：静音引脚具有200-ns的静音/取消静音时间，可灵活控制输出信号的开启和关闭。
• 外部VCO支持：支持高达22.6-GHz的外部VCO，为用户提供了更多的频率选择和设计灵活性。
• 多设备相位同步：能够同步多个设备的输出相位，适用于需要多信号同步的复杂系统。
• JESD204B支持：具备两个差分RF输出和一个差分SYSREF输出，支持JESD204B标准，可用于高速数据转换器的时钟源。

二、应用领域广泛

2.1 雷达与电子战

在雷达系统中，LMX2820的快速频率切换和低抖动特性能够满足雷达对高精度、高速度的要求。它可以为雷达提供稳定的本振信号，提高雷达的探测精度和抗干扰能力。在电子战领域，其宽频率范围和低杂散输出有助于实现信号的精确调制和解调，增强电子对抗能力。

2.2 5G与毫米波无线基础设施

5G通信对信号的频率精度和稳定性要求极高。LMX2820的高性能PLL和宽频率范围能够为5G基站和终端设备提供高质量的时钟信号，确保数据的准确传输。在毫米波频段，它的低抖动和低杂散特性更是不可或缺，有助于提高毫米波通信的可靠性和效率。

2.3 微波回传

微波回传是无线通信网络中的重要环节，需要稳定的信号传输。LMX2820的高性能输出能够为微波回传设备提供精确的时钟，保证数据的可靠传输，减少数据丢包和误码率。

2.4 测试与测量设备

测试与测量设备需要高精度的信号源来进行各种测试。LMX2820的低抖动、低杂散和宽频率范围特性使其成为测试与测量设备的理想选择，能够提供准确的测试信号，提高测试结果的可靠性。

2.5 高速数据转换器时钟

高速数据转换器对时钟信号的精度和稳定性要求极高。LMX2820的低抖动特性能够为高速数据转换器提供稳定的时钟，确保数据的准确采集和转换。

三、详细设计剖析

3.1 参考振荡器输入

OSCIN引脚作为频率参考输入，具有高阻抗特性，需要使用交流耦合电容。它既支持CMOS时钟或XO驱动的单端输入，也支持差分时钟输入，方便与高性能系统时钟设备接口，如TI的LMK系列时钟设备。由于OSCIN信号用于VCO校准，在VCO校准期间必须提供合适的参考信号。

3.2 输入路径设计

• OSCIN倍频器（OSC_2X）：可以将低频率的OSCIN信号倍增至500 MHz，有助于提高鉴相器频率，改善相位噪声并减少杂散。但使用时需要注意输入信号的占空比应接近50%，否则杂散会增加。此外，使用该倍频器会使PLL闪烁噪声和优值降低约1 dB，但鉴相器频率提高带来的好处更为显著。
• 预R分频器（PLL_R_PRE）：当输入频率过高，超出可编程乘法器（MULT）或后R分频器的输入范围时，预R分频器可以降低输入频率。
• 可编程输入乘法器（MULT）：可将频率乘以3、4、5、6或7，用于避免整数边界杂散。需要注意的是，它不能与输入路径倍频器同时使用，且会使PLL优值降低约8 dB，主要用于杂散抑制而非改善PLL噪声。当VCO频率与OSCIN频率的倍数相差较大时，该乘法器最为有效。
• R分频器（PLL_R）：进一步将频率分频至鉴相器频率。当 (PLL_R=2) 时，最大输入频率限制为500 MHz；当 (PLL_R>2) 时，最大输入频率限制为250 MHz。

  3.3 PLL鉴相器与电荷泵

  鉴相器比较R分频器和N分频器的输出，生成与相位误差对应的校正电流，直至两个信号相位对齐。电荷泵电流可通过软件编程设置为多个不同级别，从而调整PLL的闭环带宽。鉴相器的极性也可配置，以适应有源环路滤波器的应用。

  3.4 N分频器与分数电路

• 整数N分频部分（PLL_N）：总N分频值由整数部分和分数部分组成。使用内部VCO时，最小N分频值取决于调制器阶数和VCO频率；使用外部VCO时，最小N分频值也有所不同。
• 分数N分频部分（PLL_NUM和PLL_DEN）：N分频器包含分数补偿，可实现从1到 ((2^{32}-1)) 的任意分数分母。分母越大，输出的分辨率越高。
• 调制器阶数（MASH_ORDER）：分数调制器阶数可编程，对杂散有影响。较高阶的调制器可将低频杂散能量推向高频，但会增加噪声并提高最小N分频比。根据不同的应用需求，可以选择合适的调制器阶数。

  3.5 LD引脚锁定检测

  锁定检测可大致指示PLL是否锁定。支持两种类型的锁定检测：校准状态和间接vtune。校准状态锁定检测在VCO开始校准时为低电平；间接vtune锁定检测通过创建一个模拟VTUNE引脚实际电压的内部电压来工作。两种检测方式也可以结合使用。

  3.6 MUXOUT引脚与读回功能

  通过MUXOUT引脚可以读回设备的相关状态信息，包括原始寄存器值、VCO锁定检测状态、VCO校准信息和芯片温度等。读回芯片温度时，测量精度为 ± 5 °C。

  3.7 内部VCO

  LMX2820集成了一个完整的VCO，它将环路滤波器的电压转换为频率。VCO频率与其他频率的关系为 (f{V C O}=f{P D} times(P L L _ N+P L L _ N U M / P L L _ D E N)) 。

• VCO校准：为了降低VCO调谐增益并改善相位噪声性能，VCO频率范围被划分为多个频段。频率校准例程在R0寄存器中设置 (FCAL_EN =1) 时启动，同时VCO还有内部幅度校准算法，其最佳内部设置与温度有关。
• VCO增益与范围：VCO增益会因不同的VCO核心、温度和工艺而有所变化，但可以根据相关表格大致估算。

  3.8 通道分频器

  通道分频器由多个分段和抽头点组成，RFOUTA和RFOUTB共享该分频器。一般情况下，两个输出的分频值可以独立设置，但如果其中一个输出选择128分频，则另一个输出也必须选择128分频。当两个输出频率不同时，较高频率输出会在与较低频率输出相同的频率偏移处产生次谐波杂散。

  3.9 输出频率倍频器

  频率倍频器用于产生两倍于VCO频率的输出信号。当VCO频率翻倍时，会有基频（非倍频）泄漏到输出端，即次谐波（0.5X）。为了减少这些次谐波，有一个可调滤波器会跟踪输出频率，滤除次谐波和其他不需要的谐波。该滤波器的校准在VCO校准时自动触发。

  3.10 输出缓冲器

  输出缓冲器采用开集电极架构，内部集成了50-Ω上拉电阻。在低频时，输出阻抗可近似为50 Ω，但在高频时，寄生效应可能会导致输出阻抗发生变化。通过OUTx_PWR编程字段可以设置发射极电流，调整输出功率电平。

  3.11 掉电模式

  可以使用CE引脚或POWERDOWN位对LMX2820进行上电和掉电操作。在掉电模式下，大部分设备功能关闭，但设备会保留编程信息，前提是电源引脚仍有电源供应。需要注意的是，在掉电模式下编程寄存器R0并设置 (POWERDOWN) 和 (FCAL_EN=1) 会重新校准VCO。

  3.12 多设备相位同步

  在许多应用中，需要同步脉冲来确保设备具有确定的相位。相位同步的要求取决于特定的设置条件。当同步脉冲的时序要求不严格时，可以通过软件切换INPIN_IGNORE位来实现；当时序要求严格时，则必须通过引脚实现，并且OSCIN引脚的建立和保持时间非常关键。

• SYNC类别：根据输入和输出频率的不同，相位同步分为不同的类别，每个类别对频率和设备配置有不同的要求。
• 相位调整：可以使用MASH_SEED字通过sigma-delta调制器来改变输出信号相对于输入参考的相位。相位调整分为静态和动态两种方式，静态调整通过设置MASH_SEED字并切换MASH_RST_N位来实现，动态调整则通过重复编程MASH_SEED字来累积相位值。在高频输出时，可能需要进行一些微调以确保相位同步的准确性。

  3.13 SYSREF功能

  LMX2820可以生成与 (f_{OUT }) 同步且具有可编程延迟的SYSREF输出信号。该输出可以是单脉冲、脉冲序列或连续脉冲流。使用SYSREF功能时，PLL必须首先通过设置 (PHASE_SYNC_EN=1) 进入SYNC模式。通过设置SYSREF_DIV_PRE和SYSREF_DIV分频器以及JESD_DACx_CTRL字，可以实现对SYSREF信号的延迟编程。

  3.14 快速VCO校准

  VCO校准时间可以通过多种方式减少，包括无辅助、部分辅助、全辅助和即时校准。即时校准可以在2.5 µs内快速校准VCO，并选择相同的校准设置。初始化后，在不改变电源和鉴相器频率的情况下，后续的频率变化可以使用即时校准快速完成。

  3.15 双缓冲（影子寄存器）

  双缓冲（也称为“影子寄存器”）允许用户编程多个寄存器而不立即生效，直到R0寄存器被编程后，这些寄存器的设置才会生效。这对于需要快速改变频率且需要多次寄存器写入的应用非常有用。

  3.16 输出静音引脚与乒乓方法

  可以使用MUTE引脚对输出缓冲器进行静音或取消静音操作，该引脚的极性可通过PINMUTE_POL位编程。输出静音时，PLL仍保持锁定状态，可用于组合多个合成器以实现更快的锁定时间。

四、应用与实现要点

4.1 未使用引脚的处理

在某些应用中，并非所有引脚都需要使用。对于未使用的引脚，需要根据其类型进行适当处理。例如，单端输入时，OSCIN_N引脚应通过50-Ω电阻交流耦合到地；单端输出时，未使用的输出引脚应端接到一个与使用的输出负载相似的负载；未使用的输入和输出引脚可以悬空，并在软件中关闭相应功能；未使用的数字输入引脚应接地。

4.2 外部环路滤波器

LMX2820需要一个特定于应用的外部环路滤波器，可通过PLLatinum Sim进行配置。从VTUNE引脚向外看的阻抗对VCO相位噪声有重要影响，特别是对于三阶滤波器，该阻抗主要由C3决定；对于二阶滤波器，主要由C1决定。为了获得最佳的VCO相位噪声，与该引脚并联的电容应至少为1.5 nF，并应靠近VTUNE引脚放置。

4.3 即时校准的使用

即时校准可以使设备在2.5 µs内快速校准VCO，并选择相同的校准设置。初始化步骤包括正常上电、编程INSTCAL_DLY、设置INSTCAL_EN、将设备设置为输出5.65 GHz、编程INSTCAL_PLL_NUM、写入R0寄存器启动校准和等待锁定检测信号变高。初始化完成后，在不改变电源和鉴相器频率的情况下，后续的频率变化可以快速完成。

4.4 典型应用设计

以生成6-GHz输出信号为例，从100-MHz时钟源开始设计。首先选择VCO频率为6 GHz，然后选择200-MHz的鉴相器频率，通过使用OSC_2X倍频器，使设备工作在整数模式下，以获得最佳的相位噪声性能。使用PLLatinum Sim软件设计环路滤波器，得到各元件的值为：C1 = 390 pF，C2 = 68 nF，C3 = 1.8 nF，R2 = 68 Ω，R3 = 18 Ω。实际测量结果显示，该设计实现了36 fs的抖动，性能出色。

4.5 初始化与上电时序

为了确保设备正常工作，需要遵循正确的上电时序。包括初始上电时的Power-on Reset（POR）电路复位、等待电源电压达到最小值、手动进行软件复位、按降序编程寄存器、等待内部LDO上电、再次编程R0寄存器启动VCO校准、等待VCO校准完成和模拟PLL锁定。

五、电源供应与布局建议

5.1 电源供应

如果对分数杂散有较高要求，可以在每个电源引脚使用铁氧体磁珠来减少杂散。LMX2820集成了LDO，提高了对电源噪声的抗干扰能力。可以使用外部DC-DC降压转换器（如TPS62150）为其供电。不同配置下各引脚的电流消耗有所不同，应根据实际情况进行电源设计。

5.2 布局准则

• 接地处理：GND引脚应通过封装背面连接到DAP，确保良好的接地。
• OSCIN引脚：OSCIN引脚内部有偏置，必须进行交流耦合。
• SRREQ引脚：如果不使用SRREQ引脚，可将其接地到DAP。
• VTUNE引脚电容：为了在200 kHz至1 MHz范围内获得最佳的VCO相位噪声，靠近VTUNE引脚的电容应至少为1.5 nF。如果需要限制环路带宽，该电容值可以适当减小，但会牺牲VCO相位噪声。
• 单端输出：如果需要单端输出，另一端应具有相同的负载。可以通过过孔将互补端路由到电路板的另一侧，并使该负载与使用的一侧等效。
• 热管理：确保设备的DAP通过多个铜填充过孔良好接地，并使用与LMX2820暴露焊盘大小相同的散热垫，添加过孔以提高散热性能。
• 材料选择：使用低损耗的介电材料（如Rogers 4350B）可以提高输出功率。

六、总结

LMX2820 22.6-GHz宽带PLLatinum™ RF合成器凭借其卓越的性能、丰富的功能和灵活的设计，为雷达、5G、测试测量等众多领域的应用提供了强大的支持。在实际应用中，我们需要根据具体需求，合理设计输入路径、PLL参数、VCO校准和电源供应等，同时注意布局准则，以充分发挥其性能优势。电子工程师们在使用LMX2820时，需要深入理解其工作原理和特性，结合实际应用场景进行优化设计，从而实现高效、稳定的系统解决方案。你在使用类似合成器的过程中，遇到过哪些挑战呢？不妨在评论区分享一下你的经验和想法。