基于∑-△調(diào)制小數(shù)分頻技術(shù)的頻率合成器MAX2150及其應(yīng)用

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作者：時間：2007-11-30 來源：國外電子元器件

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　　1 引言

　　小數(shù)分頻(F-N)頻率合成器具有很高的輸出頻率分辨率，即使非常復(fù)雜的合成信號發(fā)生器也可采用較少的鎖相環(huán)路甚至單環(huán)來實現(xiàn)。但是，F(xiàn)-N合成信號的頻譜普遍存在固有且非常嚴(yán)重的相位雜散(又稱為分?jǐn)?shù)調(diào)制或相位調(diào)制)現(xiàn)象。這一問題可以采用∑-△變換較好地加以克服。

　　目前，基于∑-△小數(shù)分頻技術(shù)的頻率合成器專用器件已有多款問世，Maxim公司的MAX2150就是具有代表性的一款頻率合成器。該器件以較高的性價比廣泛應(yīng)用于無線寬帶系統(tǒng)、衛(wèi)星上行鏈路、無線基站等系統(tǒng)。

　　2 基于∑-△調(diào)制器的小數(shù)分頻(F-N)頻率合成技術(shù)

　　為了較理想地克服相位噪聲的影響，采用過抽樣調(diào)制器。使用多級量化方法獲得良好的信號質(zhì)量，這是一種全數(shù)字化的解決方案。普通A/D轉(zhuǎn)換器對快速變化的交流信號的變換性能是由變換時間和奈奎斯特取樣定理決定。根據(jù)該定理可知，只要取樣頻率大于等于2倍模擬信號的截止頻率，就可將模擬信號理想地變換為數(shù)字信號。但這種方法很難獲得較高的分辨率。

　　∑-△變換采用低分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器通過很高的頻率對輸入信號過采樣，使得取樣頻率與分辨率一致。然后采用數(shù)字方式處理數(shù)據(jù)流，即獲得更高分辨率的低速率輸出。也就是說，采用一比特量化器，多倍奈奎斯特頻率的速率采樣，可以達(dá)到多比特奈奎斯特速率量化器的效果。這種方式只需少量且簡單的元件即可實現(xiàn)，而且魯棒性較好。雖然沒有改變信噪比(SNR)，但噪聲能量分布到更寬的頻率范圍，通過數(shù)字濾波器濾除掉大部分噪聲，從而獲得寬動態(tài)范圍。

　　F-N頻率合成器是由鑒相/鑒頻器(PD/PF)、充電泵(CP)、環(huán)路濾波器(LPF)、壓控振蕩器(VCO)、分頻器以及調(diào)制器組成。其中CP可方便地設(shè)置環(huán)路增益，簡化積分器的實現(xiàn)(也可不用)，并能夠?qū)⒄`差信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?，以?qū)動環(huán)路濾波器，如圖1所示。

　　∑-△調(diào)制器是由模擬濾波器HCT(s)、A/D轉(zhuǎn)換器(Q為一比特量化器)，以及帶有反饋環(huán)的D/A轉(zhuǎn)換器組成，如圖2所示。一般情況下采用∑-△調(diào)制器，A/D轉(zhuǎn)換器由比較器和觸發(fā)器實現(xiàn)。D/A轉(zhuǎn)換器是一個脈沖成型器，輸出兩個波形分別為高電平+V、低電平-V。為了方便，兩個電平進(jìn)行歸一化處理，傳遞函數(shù)H(s)決定了調(diào)制器的階數(shù)?！?△系統(tǒng)實質(zhì)上是一種噪聲整形器，對量化噪聲信號進(jìn)行處理，使大多數(shù)噪聲能量轉(zhuǎn)移到有用的頻帶之外，并通過濾波去除，從而提高了信噪比。隨著階數(shù)的提高，在f≤fc范圍內(nèi)噪聲得到了明顯抑制，而代價是在f>fc頻帶內(nèi)量化噪聲功率增加。

　　把量化過程視作加入白噪聲的過程，假設(shè)輸入信號和量化噪聲互不相關(guān)。在一般情況下，fs>>fc總是成立的，進(jìn)行歸一化使|e(n)|≤1，噪聲功率為σ2e，輸出噪聲功率為σ2N。而對于一階∑-△系統(tǒng)而言，傳遞函數(shù)為T1(Z)=1-Z-1，輸出噪聲功率為σN2=(3/8)π2σ2(fc/fs)3，由此可知，隨著采樣率每增加1倍，信噪比提高9 dB。

　　3 基于∑-△小數(shù)分頻技術(shù)的頻率合成器MAX2150

　　3.1 引腳配置

　　MAX2150是Maxim公司推出的基于∑-△調(diào)制器的28位小數(shù)分頻技術(shù)的頻率合成器，可應(yīng)用于700 MHz～2 300 MHz頻率范圍。當(dāng)采用10 MHz參考頻率時，其頻率分辨率優(yōu)于50 MHz。此外，該器件配有I/Q調(diào)制輸入端、50 Ω寬帶輸出驅(qū)動放大器、低噪聲晶體振蕩器放大器(當(dāng)采用外部參考振蕩源時，該放大器可用作緩沖器)，采用標(biāo)準(zhǔn)的3線串行接口實現(xiàn)合成器的編程和整體配置。當(dāng)輸出信號電平為-1 dBm時，MAX2150的載波和邊帶抑制可達(dá)34 dBc。該器件采用+3.0 V電源供電，消耗電流為72 mA。MAX2150的引腳配置如圖3所示，各引腳功能描述如表1所示。