ADF4356/ADF5356器件上的相位對(duì)齊和控制

顧名思義，鎖相環(huán)（PLL）使用鑒相器將反饋信號(hào)與參考信號(hào)進(jìn)行比較，將兩個(gè)信號(hào)的相位鎖定在一起。雖然該特性仍有許多應(yīng)用，但目前PLL最常用于頻率合成，通常用作頻率上/下變頻器中的本振（LO），或高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）或數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）的時(shí)鐘。

直到最近，很少有人關(guān)注這些電路中的相位行為。然而，隨著對(duì)效率、帶寬和性能的需求不斷增長(zhǎng)，RF工程師必須設(shè)計(jì)新技術(shù)來(lái)提高頻譜和功率效率。信號(hào)相位的可重復(fù)性、可預(yù)測(cè)性和可調(diào)性在現(xiàn)代通信和儀器儀表應(yīng)用中都發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

一切都是相對(duì)的

除非相位測(cè)量相對(duì)于另一個(gè)信號(hào)或原始相位，否則提及相位測(cè)量是沒(méi)有意義的。例如，雙端口網(wǎng)絡(luò)的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）（如放大器）的相位測(cè)量將輸出相位稱為輸入相位ANG（S21）。單個(gè)輸入的相位將反射相位指向入射相位ANG（S11）。在PLL頻率合成器上，相位測(cè)量以輸入?yún)⒖枷辔换驈囊粋€(gè)信號(hào)到另一個(gè)信號(hào)為參考。與原始相位相比，任何相位測(cè)量的圣杯或理想狀態(tài)都是精確期望值，但非線性、非理想性、溫差和電路板走線以及其他制造差異意味著相位是信號(hào)生成中更多可變屬性之一。就本文而言，術(shù)語(yǔ)同相是指具有完全相同的幅度和定時(shí)特性的信號(hào);確定性相位意味著它們之間的相位偏移是已知且可預(yù)測(cè)的。

示波器測(cè)量相位

為了比較兩個(gè)不同頻率的相位，高速示波器是比較輸出相位和參考相位的相對(duì)直觀的方法。為了可見(jiàn)，輸入和輸出相位通常必須是彼此的整數(shù)倍。這在許多時(shí)鐘電路中相對(duì)常見(jiàn)。對(duì)于整數(shù) N 個(gè) PLL，輸入頻率 （REF在）和輸出頻率（射頻）外） 通常是確定性和可重復(fù)的。只需在兩個(gè)REF上放置一個(gè)示波器探頭在和射頻外，但請(qǐng)注意僅在確定相位已穩(wěn)定時(shí)才捕獲信號(hào)。復(fù)雜的示波器，如RTO1044，允許事件觸發(fā)僅在滿足某些條件時(shí)激活：例如，當(dāng)特定的數(shù)字模式已寫(xiě)入PLL器件并且存在已知信號(hào)的上升沿時(shí)。鑒于數(shù)字模式的寫(xiě)入和最終信號(hào)的建立之間可能存在一些延遲，因此在兩個(gè)事件之間插入一些延遲至關(guān)重要，這對(duì)于這種特定型號(hào)的儀器來(lái)說(shuō)是可能的。

圖1中的測(cè)量目標(biāo)是驗(yàn)證ADF4356 PLL相對(duì)于已知參考信號(hào)（在本例中為另一個(gè)編程為相同輸出頻率的ADF4356）的相位延遲是否恒定且在上電時(shí)可重復(fù)。為了正確設(shè)置儀器，將兩個(gè)低速探頭連接到ADF4356 SPI接口的CLK和數(shù)據(jù)線。一旦注意到寫(xiě)入特定頻率的數(shù)字模式，儀器就會(huì)等待1秒，然后捕獲顯示兩個(gè)PLL輸出的時(shí)域圖。

圖1.整數(shù) N 設(shè)置。

對(duì)于此測(cè)量，兩個(gè)ADF4356 PLL鎖定在4 GHz的VCO頻率下，并被8 MHz分頻至500 MHz，其中一個(gè)使用軟件省電功能反復(fù)關(guān)斷和打開(kāi)。示波器在無(wú)限持久模式下進(jìn)行了119次采集，兩者之間的相位差恒定且可重復(fù)。遵循了許多預(yù)防措施，以確保相位差是可重復(fù)的。低R分壓器值比高R分壓器值引入的不確定性更小，因此將VCO輸出的分頻反饋饋送到N計(jì)數(shù)器輸入至關(guān)重要。鑒于ADF4356 PLL和VCO包含1024個(gè)不同的VCO頻段，因此使用手動(dòng)校準(zhǔn)覆蓋程序消除這種不確定性非常重要。

相位再同步定義

相位再同步定義為小數(shù)N分頻PLL在每個(gè)給定頻率下返回到相同相位偏移的能力。也就是說(shuō)，當(dāng)將通道更改為頻率B時(shí)，用相位P1觀察頻率A，當(dāng)頻率重新編程回F1時(shí)，觀察到相同的原始相位P1。該定義忽略了VCO漂移、漏電流、溫度變化等引起的變化。

再同步向小數(shù)N分頻Σ-Δ調(diào)制器發(fā)送復(fù)位脈沖，使其處于已知的可重復(fù)狀態(tài)。該復(fù)位脈沖需要在VCO頻段選擇和環(huán)路濾波器建立時(shí)間等頻率建立機(jī)制完成后施加。其值由寄存器 12 中的超時(shí)計(jì)數(shù)器控制。在最近的PLL上，調(diào)整此復(fù)位脈沖時(shí)序的能力使輸出信號(hào)具有一定程度的可調(diào)性，能夠以360°/2的步長(zhǎng)改變其時(shí)序25，這比大多數(shù)儀器可以輕松測(cè)量的要多。

圖2.工作中的小數(shù)N分頻重新同步，編程范圍為4694 MHz至4002.5 MHz。

在本實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè)ADF4356 VCO均編程為4002.5 MHz并除以8。第二個(gè)PLL被編程為4694 MHz的VCO頻率，然后編程回4002.5 MHz。 使用示波器檢查PLL的行為，可以看出，在1700次頻率變化之后，PLL每次都穩(wěn)定到相同的相位。

為了表征不同的相位偏移特征，相位字被編程為4194304/225，相當(dāng)于 90°。對(duì)90°、180°、270°和0°的相似值進(jìn)行了編程，并再次檢查示波器圖（圖3）。

圖3.具有可變偏移的相位重新同步。

相對(duì)于通道1上的原始信號(hào)，觀察到四個(gè)等間距的信號(hào)，確認(rèn)了具有可編程偏移的相位重新同步的準(zhǔn)確性。

此功能非常有用，這意味著可以為每個(gè)用戶頻率創(chuàng)建相位值查找表，并在每次使用時(shí)撥入相位值。在將四個(gè)LO頻率組合成相位的應(yīng)用中，相位重新同步和失調(diào)功能用于調(diào)整輸出相位，使它們組合在一起，使相位噪聲降低6 dB。如果用作可調(diào)諧LO（可能在信號(hào)分析儀的第一級(jí)上），則重新同步和相位偏移功能允許用戶在上電時(shí)運(yùn)行一次性校準(zhǔn)，以確定每個(gè)LO的精確相位值。用作LO時(shí)，可以根據(jù)需要將相位值編程為每個(gè)LO，從而消除了在每個(gè)頻率下進(jìn)行校準(zhǔn)的過(guò)程。

圖4.需要精確控制PLL輸出相位的相位關(guān)鍵型應(yīng)用。

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)分析儀等相位關(guān)鍵型應(yīng)用，電路可以在上電時(shí)測(cè)量每個(gè)頻率的相位值，然后在LO被掃描到目標(biāo)范圍內(nèi)時(shí)根據(jù)需要對(duì)其進(jìn)行編程。

測(cè)量相位、矢量信號(hào)和網(wǎng)絡(luò)分析儀

矢量信號(hào)和網(wǎng)絡(luò)分析儀也可用于表征相位行為，盡管它們的用途僅限于將器件的相位與其初始值進(jìn)行比較。復(fù)雜的分析儀，如FSWP，可以置于FM解調(diào)模式并選擇相位輸出。

這對(duì)于評(píng)估ADF4356 PLL上的相位重同步功能非常有用。下面的曲線（圖5）顯示ADF4356在5025 MHz輸出頻率下相位變化180°。

圖5.FSUP FM 解調(diào)器輸出，用于 180° 相位偏移。

相位調(diào)整

相位調(diào)整功能可避免重置Σ-Δ調(diào)制器，只需在現(xiàn)有相位上添加一個(gè)介于0°至360°之間的相位字。這在不需要復(fù)位相位的應(yīng)用中很有用。它可用于動(dòng)態(tài)調(diào)整相位字，以補(bǔ)償由于溫度等影響引起的已知相位差異。

相位調(diào)整在每次更新R0時(shí)將相位添加到現(xiàn)有信號(hào)中（該值編程為寄存器3）。它不包含像相位再同步那樣的復(fù)位脈沖。下面的FSWP測(cè)量結(jié)果顯示，原始信號(hào)增加了90°（圖6）和270°（圖7）。在這兩種情況下，ADF4356的輸出頻率在改變相位之前都設(shè)置為5025 MHz。

圖6.90°變化。

圖7.270°變化。

溫度范圍內(nèi)的行為

由于電感器的物理參數(shù)隨溫度而變化，因此電氣特性也隨溫度變化而變化，表現(xiàn)為相位變化。為了減輕這種相變，用戶可以在所需的相位偏移中編程以保持相同的相位。兩個(gè)編程為4 GHz輸出頻率的ADF4356 PLL放置在同一相的同一烘箱室中，彼此密切跟蹤相位（圖2），因此這證明用戶可以根據(jù)溫度調(diào)整相位。

圖8.ADF4356溫度范圍內(nèi)的相位漂移，在4 GHz VCO頻率下測(cè)量。

5G

波束成形是一種對(duì) 5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)至關(guān)重要的技術(shù)。在這些網(wǎng)絡(luò)中，使用多個(gè)天線陣列元件在每個(gè)元件上具有不同的相位和幅度，以將天線能量直接引導(dǎo)到最終用戶。對(duì)于此應(yīng)用，相位重復(fù)性至關(guān)重要。LO相位需要可重復(fù)用于波束成形，如果相位不確定，則需要通過(guò)波束成形電路進(jìn)行額外校準(zhǔn)。

圖9顯示了兩個(gè)半晶片波長(zhǎng)，相隔四分之一波長(zhǎng)并同相驅(qū)動(dòng)。天線輻射方向圖幾乎是全向的，沒(méi)有觀察到波束成形。圖10顯示了由信號(hào)驅(qū)動(dòng)的兩個(gè)元件，相位90°，由此產(chǎn)生的輻射圖顯示了輻射圖如何更加聚焦。隨著元件陣列數(shù)量的增加，這允許對(duì)最終用戶的輻射圖具有更高的精度，從而提高光譜效率。

圖9.無(wú)波束成形。

圖 10.波束成形。

相位再同步功能可確保消除LO相位特性中的不確定性。此外，調(diào)整此相位的能力為用戶提供了一個(gè)額外的杠桿，以克服電路中難以通過(guò)波束形成器或基帶電路調(diào)整的任何其他相位延遲。

結(jié)論

相位再同步將ADF4356和類似的PLL器件置于已知相位，這支持許多應(yīng)用，并大大簡(jiǎn)化了校準(zhǔn)程序。

審核編輯：郭婷