LMX2624-SP：高性能寬帶頻率合成器的深度剖析與設計指南

在當今的電子設計領域，高性能頻率合成器起著至關重要的作用。特別是在空間通信、雷達系統(tǒng)等對頻率精度和穩(wěn)定性要求極高的應用中，選擇一款合適的頻率合成器更是關鍵。本文將對TI公司的LMX2624-SP寬帶頻率合成器展開詳細探討，涵蓋其特性、功能、應用以及設計要點等方面。

文件下載：lmx2624-sp.pdf

一、產(chǎn)品特性概述

LMX2624-SP具有一系列令人矚目的特性，使其成為眾多高性能應用的理想選擇。

1. 抗輻射性能

• 該產(chǎn)品總電離劑量（TID）可達100Krad（無ELDRS效應），單粒子閂鎖（SEL）免疫能力高達 (75 MeV - cm^{2} / mg)，單粒子功能中斷（SEFI）免疫能力同樣為 (75 MeV - cm^{2} / mg)。這意味著它在輻射環(huán)境下具有出色的穩(wěn)定性和可靠性，非常適合空間應用。

  2. 寬帶頻率范圍

• 其輸出頻率范圍為5MHz至28GHz，能夠滿足多種不同頻率需求的應用場景。例如在空間通信中，可以覆蓋從低頻到高頻的多個頻段，為通信系統(tǒng)提供了更廣泛的頻率選擇。

  3. 低噪聲性能

• 在24GHz載波下，100kHz偏移處的相位噪聲低至 -101dBc/Hz，24GHz（1kHz至300MHz）時的RMS抖動為60fs。低噪聲特性對于需要高精度信號的應用，如雷達系統(tǒng)和高速數(shù)據(jù)轉換器時鐘，具有重要意義。

  4. 其他特性

• 具有可編程輸出功率、支持多設備輸出相位同步、獨立的RFoutA和RFoutB靜音引腳（靜音/取消靜音時間為200ns）、支持9ps分辨率的可編程延遲的SYSREF信號等。這些特性為設計人員提供了更多的靈活性和控制能力。

二、產(chǎn)品功能詳解

1. 參考振蕩器輸入

• OSCin引腳作為頻率參考輸入，輸入為高阻抗，需要在引腳處進行交流耦合。支持單端或差分時鐘輸入，便于與高性能系統(tǒng)時鐘設備（如TI的LMK系列）接口。注意，在進行VCO校準編程時，必須在OSCin引腳施加合適的參考信號。

  2. 參考路徑

• 參考路徑由OSCin倍頻器（OSC_2X）、預R分頻器（PLL_R_PRE）和后R分頻器（PLL_R）組成。
  • OSCin倍頻器可將低輸入頻率翻倍，增加鑒相器頻率，有助于改善相位噪聲和避免雜散。使用時需注意輸入信號的占空比要求。
  • 預R分頻器可降低輸入頻率，以滿足后R分頻器的最大250MHz輸入頻率限制。
  • 后R分頻器可進一步分頻至鑒相器頻率，當使用該分頻器時，輸入頻率限制為250MHz。

    3. PLL鑒相器和電荷泵

• 鑒相器比較后R分頻器和N分頻器的輸出，并生成與相位誤差對應的校正電流，直到兩個信號相位對齊。電荷泵電流可通過軟件編程設置為多個不同級別，從而調整PLL的閉環(huán)帶寬。

  4. N分頻器和小數(shù)電路

• N分頻器包括小數(shù)補償，可實現(xiàn)從1到 ((2^{32} - 1)) 的任意小數(shù)分母。總N分頻器值由整數(shù)部分和小數(shù)部分組成，N、NUM和DEN在SPI模式下可通過軟件編程。在SYNC模式下，存在一個額外的分頻器。此外，N分頻器根據(jù)調制器階數(shù)和VCO頻率有最小值限制。

  5. VCO（壓控振蕩器）

• LMX2624-SP集成了一個完整的VCO，將環(huán)路濾波器的電壓轉換為頻率。為了降低VCO調諧增益和改善相位噪聲性能，VCO頻率范圍被劃分為多個頻段，需要進行頻率校準以確定正確的頻段。同時，VCO還具有內部幅度校準算法。

  6. 通道分頻器

• 為了實現(xiàn)低于VCO下限（7500MHz）的頻率輸出，可使用通道分頻器。通道分頻器由六個分段組成，總分頻值為各分段分頻值的乘積，并非所有值都有效。使用時需注意頻率限制和相關設置。

  7. 輸出靜音和乒乓操作

• 輸出緩沖器可通過MUTE引腳進行靜音或取消靜音操作，其極性在SPI模式下可編程。當輸出靜音時，PLL保持鎖定狀態(tài)，可用于組合多個合成器以實現(xiàn)更快的鎖定時間。MuteA和MuteB引腳可獨立控制RFOUTA和RFOUTB的靜音。

  8. 輸出頻率倍頻器

• 頻率倍頻器可根據(jù)OUTMUX2、OUTMUX1和OUTMUX0設置，在RFOUTA和RFOUTB產(chǎn)生兩倍VCO頻率的輸出。為了最小化次諧波和其他不需要的諧波，有一個可調濾波器，其校準會在VCO校準完成時自動觸發(fā)。

  9. 輸出緩沖器

• RF輸出緩沖器具有內部50Ω端接，輸出功率可編程設置為不同級別，甚至在保持PLL鎖定的情況下禁用。

  10. 斷電模式

• 可通過POWERDOWN位或CAL引腳對LMX2624-SP進行上電和斷電操作。進入斷電模式后，若要恢復正常操作，需重新設置相關位并進行VCO校準。

  11. 引腳模式整數(shù)頻率生成

• 該模式可在無需串行編程的情況下生成固定頻率輸出，通過引腳設置整數(shù)N分頻器和通道分頻器。使用時需遵循一定的規(guī)則，如設置引腳模式、控制電源上升時間、處理未使用引腳等。

  12. 相位同步

• SYNC引腳可使LMX2624-SP實現(xiàn)相位同步，使OSCin信號上升沿到輸出信號的延遲具有確定性。根據(jù)不同的應用場景，相位同步可分為不同類別，使用時需遵循相應的步驟和注意事項。

  13. 相位調整

• MASH_SEED字可通過Σ - Δ調制器相對于輸入?yún)⒖家苿虞敵鲂盘栂辔?。使用時需滿足一定條件，如MASH_ORDER必須大于零，不同階數(shù)的調制器對PLL_N有不同的最小值要求等。

  14. SYSREF

• LMX2624-SP可生成與 (f_{OUT}) 同步且具有可編程延遲的SYSREF輸出信號，輸出可以是單脈沖、脈沖序列或連續(xù)脈沖流。使用SYSREF功能時，PLL必須先處于SYNC模式。

三、應用及設計要點

1. 應用領域

• 空間通信有效載荷：可覆蓋Ku/Ka頻段，為空間通信提供穩(wěn)定的頻率源。
• 空間雷達系統(tǒng)：低噪聲和寬頻率范圍特性有助于提高雷達系統(tǒng)的性能。
• 命令和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：滿足系統(tǒng)對頻率精度和穩(wěn)定性的要求。
• 高速數(shù)據(jù)轉換器時鐘：支持JESD204B/C標準，為數(shù)據(jù)轉換器提供精確的時鐘信號。
• 混頻器本振：可提供高達28GHz的頻率，滿足混頻器的需求。

  2. 設計要點

  OSCin配置

• OSCin支持單端或差分時鐘輸入，必須在引腳前串聯(lián)交流耦合電容器。建議在差分走線中使用終端并聯(lián)電阻進行端接，并確保OSCin和其互補端在布局上匹配。

  OSCin壓擺率

• OSCin信號的壓擺率對LMX2624-SP的雜散和相位噪聲有影響，一般來說，高壓擺率、低幅度的信號（如LVDS）可獲得最佳性能。

  RF輸出緩沖器功率控制

• OUTA_PWR和OUTB_PWR寄存器控制輸出驅動電流，建議將OUTx_PWR設置保持在31或以下，以減少電流消耗和避免過高的輸出功率。通常，將OUTx_PWR設置在15至25范圍內可獲得最佳噪聲地板。

  RF輸出緩沖器上拉

• 該器件內部集成了50Ω上拉電阻，用于差分輸出RFOUTA和RFOUTB。

  RF輸出處理

• 無論差分輸出的兩側是否都使用，兩側必須看到相似的負載。對于未使用的輸出，應確保其阻抗與使用側相似，以最小化諧波并獲得最佳輸出功率。

  電源供應

• 建議在引腳附近放置旁路電容器，以減少電源噪聲的影響。如果對小數(shù)雜散較為關注，可在每個電源引腳使用鐵氧體磁珠來降低雜散。

  布局

• 布局時應遵循一些特定的指導原則，如將GND引腳連接到DAP，對OSCin引腳進行交流耦合，合理放置Vtune引腳附近的電容器，使輸出上拉組件靠近引腳等。同時，要注意在輻射環(huán)境下的使用條件，包括總電離劑量和單粒子效應等。

四、總結

LMX2624-SP是一款功能強大、性能優(yōu)越的寬帶頻率合成器，具有廣泛的應用前景。在設計過程中，工程師需要深入了解其特性和功能，遵循設計要點，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢，確保設計的系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。你在使用這款合成器的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。