基于MC145152-2芯片的频率合成器的设计

1  引　言
　　
　　频率合成技术是现代通信的重要组成部分，它是将一个高稳定度和高准确度的基准频率经过四则运算，产生同样稳定度和准确度的任意频率。随着大规模集成电路的发展，利用锁相环频率合成技术研制出了很多频率合成集成电路。其中，以摩托罗拉公司的MC14515x－2系列较为先进，本文将介绍一种基于MC145152－2芯片的频率合成器。这种锁相环频率合成器的稳定度和准确度与基准频率相当，不产生额外的误差。它在移动通信等领域有着广泛的应用。

2　MC145152－2芯片的特点及功能
　　
　　MC145152－2芯片是摩托罗拉公司生产的锁相环频率合成器专用芯片。它是MC145152－1芯片的改进型。MC145152－2芯片具有下列主要特征：
　　（1）它与双模（P／（P＋1））分频器同时使用，有一路双模分频控制输出MC。当MC为低电平时，双模分频器用（P＋1）去除；当MC为高电平时，双模分频器用模数P去除。
　　（2）它有A计数器和N计数器两个计数器。它们与双模（P／（P＋1））分频器提供了总分频值（NP＋A）。其中，A、N计数器可预置。N的取值范围为3～1023，A的取值范围为0～63。A计数器计数期间，MC为低电平；N计数器计数（N－A）期间，MC为高电平。
　　（3）它有一个参考振荡器，可外接晶体振荡器。
　　（4）它有一个R计数器，用来给参考振荡器分频，R计数器可预置，R的取值范围：8，64，128，256，512，1024，1160，2048。
　　（5）它有两路鉴相信号输出，其中，ФR、ФV用来输出鉴相误差信号，LD用来输出相位锁定信号。
　　MC145152－2的供电电压为3．0 V～9．0 V，采用28脚双列封装形式。MC145152－2的原理框图如图1所示。

　　MC145152－2的工作原理：参考振荡器信号经R分频器分频后形成f_R信号。压控振荡器信号经双模（P／（P＋1））分频器分频，再经A、N计数器分频器后形成f_V信号，f_V＝f_VCO／（NP＋A）。f_R信号和f_V信号在鉴相器中鉴相，输出的误差信号（ΦR、ΦV）经低通滤波器形成直流信号，直流信号再去控制压控振荡器的频率。
　　当整个环路锁定后，f_V＝f_R且同相，f_VCO＝（NP＋A）f_V＝（NP＋A）f_R，便可产生和基准频率同样稳定度和准确度的任意频率。

3　1 800 MHz频率合成器的设计^〔1〕

3．1　1 800 MHz频率合成器元件的选取
　　锁相环频率合成器选用芯片MC145152－2。晶振选用10．24MHz的温补晶体，它的频率稳定度较高，可达10^－8。低通滤波器选用运放芯片MC33171；双模分频器选用MC12054A芯片，模数P＝128，工作频率为2．0 GHz；压控振荡器选用变容管电调谐介质振荡器。

3．2　MC145152-2芯片参数的设计

    R的取值范围＝512，RA₂～RA₀为100，
    N的取值范围＝703，N9～N0为1010111111，A的取值范围＝16，A₅～A₀为010000。
　　R计数器、N计数器、A计数器可预置，各管脚接地为逻辑0，悬空为逻辑1。

3．3　1 800 MHz频率合成器电路的设计
   
　　1 800 MHz频率合成器电路图，如图2所示。

　　
　　图2中，运放芯片MC33171构成了有源比例积分滤波器，在设计时首先选择合适的电容C，然后，再根据ω_n、N、K_v、K_d和ξ计算R₁和R₂的值。

    式（1）和式（2）中，K_v为压控振荡器电调灵敏度（rad／sV）；K_d为比相器灵敏度，K_d＝V_DD／2π，V_DD是运放的工作电压（V_DD＝5 V），K_d单位取V／rad；N为总分频次数；ξ为锁相环路的阻尼系数，ξ的合适取值范围是在0．5～1．0之间，通常选择起始点ξ＝0．707；ω_n为环路自然谐振角频率，ω_n值的选择将直接影响环路滤波特性和捕捉时间，为了保证环路对噪声有较好的抑制，ω_n应该远小于鉴相频率ω_d，通常可按式（3）选择
　　ω_n＝ω_d／（30～1 000），（3）
    当噪声来源于参考频率和分频器时，ω_n可以选择得小些；当噪声来源于压控振荡器时，ω_n可选择得大些。
    具体计算如下：
K_d＝V_DD／（2π）＝5／（2π）＝0．796 V／rad，

故：R₁选用4．7 kΩ电阻，R₂选用120 kΩ电阻。
　　变容管电调谐介质振荡器^〔2～4〕如图3所示，把变容管通过微带线与介质振荡器耦合形成电调谐电路，调谐电压加在变容管两端，改变变容管结电容，就可以实现谐振频率的调整。

参考文献:

[1]. MC145152 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/MC145152_1054436.html.
[2]. MC33171 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/MC33171_1059542.html.
[3]. MC12054A datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/MC12054A_2030908.html.
[4]. MC145152-2 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/MC145152-2_1076672.html.