MAX2871：23.5MHz 至 6000MHz 分数/整数 N 合成器/VCO 的深度解析

在电子设计领域，频率合成器是至关重要的组件，它能为各种应用提供精确的频率信号。今天，我们将深入探讨 Maxim Integrated 公司的 MAX2871 分数/整数 N 合成器/VCO，详细了解其特性、工作原理以及应用场景。

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一、概述

MAX2871 是一款超宽带锁相环（PLL），集成了电压控制振荡器（VCO），支持整数 N 和分数 N 两种工作模式。当与外部参考振荡器和环路滤波器配合使用时，它能合成 23.5MHz 至 6.0GHz 的频率，同时保持出色的相位噪声和杂散性能。

特性亮点

1. 超宽频率范围：借助多个集成 VCO（覆盖 3000MHz 至 6000MHz）和 1 至 128 的输出分频器，实现了 23.5MHz 至 6000MHz 的频率合成。
2. 双差分输出驱动：提供双差分输出，可独立编程，输出功率范围为 -1dBm 至 +8dBm，且可通过软件或硬件控制静音。
3. 4 线串行接口：采用 4 线串行接口控制，兼容 1.8V 控制逻辑。
4. 宽温度范围：工作温度范围为 -40°C 至 +85°C，适用于各种恶劣环境。
5. 兼容性好：与 MAX2870 引脚和软件完全兼容，且具有改进的特性集和更好的整体相位噪声。

二、应用场景

MAX2871 的高性能使其在多个领域得到广泛应用，包括：

1. 无线基础设施：为无线通信系统提供稳定的频率源。
2. 测试与测量：满足各种测试设备对高精度频率信号的需求。
3. 时钟生成：为数字电路提供精确的时钟信号。
4. 微波无线电：用于微波通信系统，确保信号的稳定传输。

三、电气特性

1. 绝对最大额定值

了解器件的绝对最大额定值对于正确使用和保护器件至关重要。MAX2871 的绝对最大额定值包括电源电压、功耗、温度等参数，具体如下：

• (V{CC_}) 至 (GND)： -0.3V 至 +3.9V
• 其他引脚至 (GND_)： -0.3V 至 (V{CC}) + 0.3V
• 连续功耗（(T_{A}= +70^{circ}C)）：2758.6mW（TQFN - EP 多层板，高于 +70°C 时降额 34.5mW/°C）
• 结温： +150°C
• 工作温度范围： -40°C 至 +85°C
• 存储温度范围： -65°C 至 +150°C
• 引脚焊接温度（10s）： +300°C
• 回流焊接温度： +260°C

2. 直流电气特性

在直流电气特性方面，主要关注电源电压、电流消耗等参数。例如，电源电压范围为 3V 至 3.6V，典型值为 3.3V；RFOUT_ 电流消耗在最小输出功率单通道时典型值为 9mA，最大输出功率单通道时为 25mA 等。

3. 交流电气特性

交流电气特性涵盖了参考振荡器输入、鉴相器、电荷泵、RF 输出等多个方面。

• 参考振荡器输入（REF_IN）：输入频率范围为 10MHz 至 210MHz，输入灵敏度为 0.7V ({P - P}) 至 (V{CC_})，输入电容典型值为 2pF。
• 鉴相器：整数 N 模式下鉴相器频率最高可达 140MHz，分数 N 模式下为 125MHz。
• 电荷泵：Sink/Source 电流根据不同设置有所不同，R_SET 范围为 2.7kΩ 至 10kΩ。
• RF 输出：基频范围为 3000MHz 至 6000MHz，分频后频率范围为 23.4375MHz 至 6000MHz，VCO 灵敏度为 100MHz/V 等。

四、引脚配置与功能

MAX2871 采用 32 引脚 TQFN 封装，每个引脚都有特定的功能。例如：

• CLK：串行时钟输入，数据在 CLK 上升沿锁存到 32 位移位寄存器。
• DATA：串行数据输入，数据按 MSB 优先加载，3 个 LSB 标识寄存器地址。
• LE：加载使能输入，LE 为高电平时，移位寄存器中的数据加载到相应锁存器。
• CE：芯片使能，低电平使器件进入低功耗模式，电荷泵呈高阻抗。

五、详细工作原理

1. 4 线串行接口

MAX2871 可通过 3 线 SPI 进行写操作，使用 CLK、DATA、LE 引脚；读操作时，还可使用 MUX 引脚访问寄存器 0x06。寄存器数据通过 4 线串行接口按 MSB 优先加载，用户在电源上电后需对所有寄存器进行编程，且建议在编程过程中关闭输出，完成后再开启。

2. 参考输入

参考输入级配置为带输入到输出并联电阻的 CMOS 反相器，关机模式下输入为高阻抗，防止参考源负载。参考输入信号路径包含可选的 x2 和 ÷2 模块，参考倍频器启用时，最大参考输入频率限制为 105MHz；禁用时，限制为 210MHz，最小参考频率为 10MHz。

3. PFD 频率

鉴相器频率由公式 (f{PFD}=f{REF} times[(1 + DBR) /(R times(1 + RDIV2))]) 确定，其中 (f_{REF}) 为外部参考输入频率，DBR、RDIV2 和 R 分别由相应寄存器位设置。

4. Int, Frac, Mod, 和 R 计数器关系

VCO 频率 (f{VCO}) 与 N、F、M 以及 RF 输出频率 (f{RFOUTA}) 相关，根据不同的反馈模式和 DIVA 设置，有不同的计算公式。

5. Int - N/Frac - N 模式

整数 N 模式通过设置寄存器 0 的 INT 位为 1 选择，同时需设置 LDF 位为相应模式；分数 N 模式则将 INT 位设置为 0，并将 LDF 位设置为 0。当 (F = 0) 时，若 F01 位为 1，器件可自动切换到整数 N 模式。

6. 鉴相器和电荷泵

电荷泵电流由 RSET 引脚到地的电阻值和 CP 位的值确定，公式为 (I{CP}=1.63 / R{SET} times(1 + CP<3:0>))。为减少分数 N 模式下的杂散，可设置电荷泵线性位 CPL；电荷泵输出可通过 TRI 位设置为高阻抗模式；鉴相器极性可通过 PDP 位改变。

7. MUX

MUX 是一个多用途输入/输出引脚，用于观察和控制 MAX2871 的各种内部功能，也可配置为串行数据输出，通过寄存器 5 的 MUX 位和寄存器 2 的相应位选择所需功能。

8. 锁检测

锁检测可通过 LD 输出监控，数字锁检测根据合成器模式设置 LDF 位，模拟锁检测将 LD 设置为 10，此时 LD 为开漏输出，需外接 10kΩ 上拉电阻。锁检测输出的有效性受多种因素影响，在 VCO 自动选择过程和 TUNE 电压未稳定时无效。

9. 周期滑差减少

通过设置 CSM 位为 1 启用周期滑差减少功能，此时电荷泵需设置为最小值。

10. 快速锁定

快速锁定模式要求 (CP = 0000)，并将环路滤波器的并联电阻部分分为两部分，通过 CDM 位控制。快速锁定时间由公式 (t{FAST - LOCK}=M × CDIV / f{PFD}) 确定。

11. RFOUTA± 和 RFOUTB±

MAX2871 具有双差分开集电极 RF 输出，每个输出需外接 RF 扼流圈或 50Ω 电阻。输出功率可通过 APWR 和 BPWR 位独立控制，范围为 -4dBm 至 +5dBm。可通过 MTLD 位在 PLL 未锁定时禁用输出，通过 MUTEDEL 位设置输出启用延迟。

12. 电压控制振荡器

VCO 基本频率范围为 3.0GHz 至 6.0GHz，通过四个独立的 VCO 核心块和每个块内的 16 个子带实现无间隙覆盖，环路滤波器输出连接到 TUNE 输入以控制 VCO。

13. Tune ADC

使用 7 位 ADC 读取 VCO 调谐电压，通过设置 CDIV、ADCM 和 ADCS 位进行操作，读取的 ADC 值可通过公式 (V = 0.315 + ADC × 0.0165) 计算 TUNE 引脚电压。

14. VCO 自动选择（VAS）状态机

当寄存器 0 的 VAS_SHDN 位为 0 时，启动内部 VCO 自动选择状态机，状态机时钟 fBS 需设置为 50kHz，由 BS 位确定。VAS_TEMP 位可用于根据环境温度选择最佳 VCO。

15. 相位调整

锁定后，可通过寄存器 1 的 P 位和 M 位以 (P / M × 360^{circ}) 的增量改变单个 MAX2871 器件的 RF 输出相位，多个 MAX2871 器件的 RF 输出可通过单个参考输入进行相位同步。

16. 低杂散模式

MAX2871 为 sigma - delta 调制器提供三种模式，低噪声模式以牺牲杂散为代价提供较低的带内噪声，可通过设置 SDN 位为 10 或 11 减少杂散。

17. 温度传感器

器件配备片上温度传感器和 7 位 ADC，通过设置 CDIV、ADCM 和 ADCS 位读取温度传感器的数字化输出，环境温度可通过公式 (t = 95 - 1.14 × ADC) 计算。

六、寄存器和位描述

MAX2871 的工作模式由六个片上寄存器控制，上电后默认值不保证，所有保留位应写入默认值。在低功耗模式下，寄存器值保留，上电后需对寄存器进行两次编程，中间间隔至少 20ms。

七、典型应用电路与布局问题

1. 典型应用电路

文档提供了典型应用电路，为工程师设计实际电路提供了参考。

2. 布局问题

为获得最佳性能，布局时需考虑接地和 RF、基带、电源 PCB 线路的路由，尽量缩短过孔到接地平面的连接，在高阻抗端口保持走线短以减少并联电容。建议采用星型电源路由配置，并在每个电源引脚附近放置旁路电容。

八、总结

MAX2871 是一款功能强大、性能出色的频率合成器/VCO，具有超宽频率范围、双差分输出、低相位噪声等优点，适用于多种应用场景。通过深入了解其电气特性、工作原理和布局要求，工程师可以更好地利用该器件进行设计，满足不同的应用需求。在实际设计过程中，还需根据具体应用场景进行合理的参数设置和优化，以充分发挥 MAX2871 的性能优势。你在使用 MAX2871 过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。