用集总LC元件的VCO构成155.520MHz锁相时钟频率源

    摘要：介绍了一种用MAX2620构建的窄带压控振荡器（VCO），在此基础上介绍其与锁相环芯片Q3236一起构建SDH专用的155.520MHz点频锁相式时钟源的设计方案。该时钟源具有低噪声、高稳定性等特点，并且成本低廉，具有良好的应用前景。 
     
     关键词：时钟源
     SDH 锁相环 压控振荡器（VCO）
     SDH作为一种传输体制，在我国得到了广泛应用。目前国内SDH主干网大多的10G光纤网，随着光通信技术的发展，传输速率还将不断提高。SDH网同步结构通常采用主从同步方式，要求所有网元时钟的定时都能终跟踪全网的基准主时钟。ITU-T对SDH各节点的时钟参数如时钟的中心频率、频率准确度、稳定度、时钟的抖动和漂移等以及牵入范围、牵出范围、保持范围等都作了严格的规定[1]。在SDH系统中，是以155.520Mbit/s的同步传送模块（STM-1）作为基本的信息模块，而高速率的信号是将N个STM-1信号同步复用，形成STM-N[2]，因此SDH网中大量使用155.520MHz的时钟源作为网元定时时钟。本文将介绍如何用集成电路MAX2620和集点LC元件构成窄带VCO电路模块，进而同锁相环芯片Q3236一起构成锁相环式的低噪声、高稳定性的155.520MHz时钟电路。
    
     1 电路方案设计
     图1所示为锁相环（PLL）的基本电路组成[3]。其中REF代表参考信号源，1/R为参考源分频器，PD为相位检波器，LF为环路滤波器，VCO为压控振荡器，1/N为N分频器。
     SDH专用的155.520MHz的VCXO（压控晶振），国外已有，但国产的很少，而且价格比较昂贵。而一般的VCO器件，例如Varil、Mini、Vectron、Mti、MicroNetworks等公司推出的100MHZ～200MHz、75MHz～160MHz、140MHz～170MHz等器件都是宽频段使用的。SDH中的时钟源是固定的点频，如STM-1是155.520MHz，因而用上面的那些宽频段的VCO来设计这种点频电路并不合适，这就需要设计一个窄带的而且相位噪声性能优越的VCO。虽然可以用分立晶体管、谐振回路以及缓冲放大器来构成VCO电路，但相比于IC芯片，稳定性差、受电源及分布参数影响大、调试不方便。MAXIM公司的MAX2620是一个可工作于罗宽频率范围（10～1050MHz）的集成振荡器芯片，具有高频双极工艺所特有的低闪烁噪声、低噪声系数和低寄生rb的特点。用户可以根据自己的需要配适当的振荡回路，设计出所需中心频率的压控振荡器电路。MAX2620内部有源器件对谐振回路的负载极轻，从而使振荡回路具有较高的有载Q值，因而可以用来设计窄带的155.520MHz点频的压控振荡器电路。
     由相位噪声理论可知，锁相环路中分频比越大，从输入到输出的相位噪声指标的损失也就越大，所以时钟电路的鉴相频率设定为19.440MHz，以使得鉴相频率尽可能高，锁相环分频比小。常规的PLL集成电路如MOTOROLA的MC14515X系列，鉴相频率为2MHz，不能适用。QUALCOMM的Q3236，鉴相频率可达到上百MHz，可应用于此项设计中。
     2 155.520MHz的VCO设计

     MAXIM公司的MAX2620是一使用极其方便的振荡器芯片，它的内部组成示意图[4]如图2所示。
     MAX2620提供一个缓冲放大输出级，能够减少负载变化对振荡器频率的影响。供电电压范围在+2.7V～+5.25V之间，内部设有偏置电路稳定其工作点，使工作受电源波动的影响小，并具有电源关断能力，由SHDN端控制。两个互补的输出（即OUT和OUT），可以构成两个单端输出或一个差分输出。由于是集电极开路输出，输出端需要上拉到Vcc。可以用电感或电阻来上拉，但是对于差分输出，两端上应采用相同的方式。对于50Ω的负载，用电感上拉时，单端输出电平可达-6dBm(峰-峰电压为320mV)；而用电阻上拉时，输出可达-10dBm(200mV)。在本设计中MAX2620的两路输出，一路输出到PLL以供鉴相使用。为使稳定性
     好，此路用电阻上拉。另一路输出，经过缓冲放大，作为时钟输出，为了使其输出功率大，用电感上拉。
    
    
    
     MAX2620需外接RF谐振回路构成VCO电路，如图3所示。
     此电路的形式是典型的Colpitts共集电极拓朴结构，此种拓朴结构可工作在很宽的频率范围内，从中频直到射频[4]。MAX2620手册中说明其工作频率范围为10MHz～1050MHz。谐振回路在图3的左方，经过pin（2）,pin(3)接入，主要包括电容C0～C4、谐振电感L1、变容管Cvar，调谐电压经过电阻Rt接入。
     对于155.520MHz点频时钟源的压控振荡器，不需要宽的调谐范围。利用这一点，变容管可通过C0接入谐振回路。为了减轻耦合，C0值取为1.8pF。变容管Cvar可以选择变通的MV2107,Cvar=22pF（偏置-4V时的电容量）。50MHz的Qmin=350，折算到155MHz，Q约为115。经过C0后，谐振回路的等效Q升高至少5倍以上，达到了即例采用廉价的Q较低的变容管，也可设计出Q较高的谐振回路的目的。
     谐振回路电感采用表面贴式的谐振电感，该电感具有辐射干扰小、受分布电容影响小、调试方便等特点。电感值选为47nH，当谐振频率为155.520MHz时，由谐振公式f=2π（LCT开根号）得谐振回路总电容CT=22.34pF。经过调试，VCO电路的具体元件参数如下：
     Rt=1～3kΩ,Cvar用MV2107型变容管，谐振电感L1-=47nH，C0=1.8pF，C1=18pF，C2=5pF，C3=6.8pF,C4=4.3pF，输出端OUT上拉电感L2为100nH，输出端OUT上拉电阻RO=50Ω。
    
     3 锁相环芯片Q3236的介绍及其环路滤波器的设计

     QUALCOMM的Q3236是一种可在高达2GHz频段工作的分频次数可编程的数字锁相环芯片，正常工作状态下功耗小于0.6W。其内部电压[6]如图4所示。
     参考信号（REFIN）与VCO反馈信号（FVCO）输入端均可设为差分输入或单端输入，并有较高的输入灵敏度，电平要求为-10dBm～+5dBm，输入阻抗为50Ω。
     内置VCO的分频器工作于前置预分频模式时，工作频率可高达2GHz。由内部的除10/11前置分频器、4位的低位A计数器和9位的高位M计数器所构成的吞脉冲计数器来完成总分频N。当不用前置预分频时，Q3236的工作频率为300MHz。1/R为参考源分频器。Q3236分频器的置数方式有三种：串行模式、8位总线模式以及并行直接置数模式。
     Q3236需要外接环路滤波器。在本设计中采用一阶有源比例低通滤波器，如图5所示。
     采用低噪声运放TLE2037及R、C元件构成环路滤波器，R、C等元件值由锁相环参数求出。
     已知：
    
     式中：τ1=(kdk0)/Nωn
     τ2=2ξ/ωn
     对于点频时钟电路，稳定度高，所以选择锁相环3dB带宽B3dB=1kHz，阻尼系数ξ=0.
     707。已知Q3236的鉴相系数kd=302mV/rad，VCO在155.520处的压控灵敏度k0=2π×80rad/s.V。在设定C=0.1μF和预滤波截止频率为2.5kHz的条件下，代入上面的公式算得元件值如下：
     R1/2=10kΩ；R2=4.3kΩ；Cp=0.02μF。
     4 锁相式时钟电路

     根据上面对锁相环路各部分电路的分析和设计，可设计出下面的锁相式时钟电路方案，如图6所示。
     实际电路制作在一块72mm×72mm的双层板上，电源电压为+5V。VCO的频率覆盖范围为155.400043MHz～155.646042MHz，在155.520MHz处的压控灵敏度ko为2π×80krad/s.V，两路输出电平，OUT端为-6dBm，OUT端为-10dBm。用高稳综合信号源作为参考信号，测得时钟源输出为155.52000MHz，输出功率≥10dBm，信号纯度高，杂散少。
 
     由集总LC元件和MAX2620构成的窄带VCO具有稳定性高、受外界分布参数影响小、调试方便、体积小、价格低廉等优点。该VCO和Q3236芯片构成锁相环式155.520MHz点频时钟源，工作于高达19.440MHz的鉴相频率，使输入到输出的相位噪声恶化减小。测试结果表明该时钟源频率稳定性高、相位噪声低。这就为SDH时钟设备的小型化和批量生产奠定了基础。