以下是一個(gè)基于 ADF4351（PLL芯片） + VCO + 環(huán)路濾波器 的信號(hào)發(fā)生器時(shí)鐘電路實(shí)例，涵蓋核心元件選型、電路設(shè)計(jì)、仿真驗(yàn)證及PCB布局要點(diǎn)，適用于輸出頻率范圍 35MHz~4.4GHz 的應(yīng)用場(chǎng)景（如無(wú)線通信測(cè)試、雷達(dá)信號(hào)模擬等）。

一、核心元件選型

1. PLL芯片：ADF4351

• 功能：集成VCO、分頻器、鑒頻鑒相器（PFD）和電荷泵（CP），支持小數(shù)分頻和整數(shù)分頻。
• 關(guān)鍵參數(shù)：
  • 輸出頻率范圍：35MHz~4.4GHz（通過(guò)內(nèi)部VCO或外部VCO擴(kuò)展）。
  • 相位噪聲：-134dBc/Hz@1MHz（典型值）。
  • 參考時(shí)鐘輸入：支持單端（CMOS）或差分（LVPECL/LVDS）。
  • 封裝：48引腳LFCSP（7mm×7mm），適合緊湊設(shè)計(jì)。

2. 外部VCO：HMC507LP4E

• 選型原因：ADF4351內(nèi)部VCO在高頻段（>2GHz）相位噪聲較差，需外接低噪聲VCO。
• 關(guān)鍵參數(shù)：
  • 頻率范圍：3.2GHz~4.0GHz（覆蓋高頻段需求）。
  • 相位噪聲：-110dBc/Hz@100kHz（優(yōu)于ADF4351內(nèi)部VCO）。
  • 輸出功率：+5dBm（可直接驅(qū)動(dòng)混頻器或放大器）。
  • 壓控靈敏度（Kv）：15MHz/V（線性度好，便于環(huán)路穩(wěn)定）。

3. 參考時(shí)鐘源：SiT9005（LVDS差分晶振）

• 選型原因：差分輸出降低共模噪聲，低抖動(dòng)（RMS<0.5ps）。
• 關(guān)鍵參數(shù)：
  • 頻率：100MHz（典型值，可根據(jù)需求選擇其他頻率）。
  • 抖動(dòng)（RMS）：0.3ps@12kHz~20MHz。
  • 電源電壓：3.3V（與ADF4351兼容）。

4. 環(huán)路濾波器元件

• 電阻：
  • R1：10kΩ（0603封裝，金屬膜電阻，噪聲系數(shù)<0.5μV/√Hz）。
  • R2：2.2kΩ（0603封裝，用于調(diào)整環(huán)路帶寬）。
• 電容：
  • C1：100nF（NP0陶瓷電容，Q值>1000）。
  • C2：10μF（鉭電容，用于低頻濾波）。
• 運(yùn)算放大器：OPA2350（低噪聲，輸入電壓噪聲密度<3nV/√Hz@10kHz）。

二、電路設(shè)計(jì)

1. 整體架構(gòu)

• 信號(hào)流：
  參考時(shí)鐘（100MHz）→ ADF4351（鑒頻鑒相）→ 環(huán)路濾波器→ VCO（HMC507LP4E）→ 輸出分頻（可選）→ 最終輸出（3.2GHz~4.0GHz）。

2. 關(guān)鍵電路模塊

（1）參考時(shí)鐘輸入電路

• 差分轉(zhuǎn)單端（若參考時(shí)鐘為單端）：
  使用BALUN變壓器（如TC1-1-13MA）將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分，降低噪聲。
• AC耦合：
  在參考時(shí)鐘輸入端添加100nF電容（0603封裝），隔離直流偏置。

（2）環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)

• 三階無(wú)源濾波器（適用于ADF4351電荷泵輸出）：
  <img src="https://via.placeholder.com/300x150?text=Loop+Filter+Circuit" />
  • 參數(shù)計(jì)算：
    • 環(huán)路帶寬（fBW）：設(shè)為參考時(shí)鐘頻率的1/20（即5MHz）。
    • 相位裕度：目標(biāo)50°（通過(guò)調(diào)整R1、C1實(shí)現(xiàn)）。
    • 仿真工具：使用ADIsimPLL工具自動(dòng)生成元件值（如R1=10kΩ，C1=100nF，C2=10μF）。

（3）VCO控制電壓（Vtune）電路

• 去耦與保護(hù)：
  • 在Vtune引腳附近添加0.1μF（0402封裝）和10μF（鉭電容）并聯(lián)去耦。
  • 串聯(lián)10Ω電阻（0603封裝）限制電流，防止VCO損壞。

（4）電源電路

• 模擬電源（3.3V）：
  • 使用LDO（如TPS7A47）將5V轉(zhuǎn)換為3.3V，輸出端并聯(lián)0.1μF+10μF去耦。
  • 在LDO輸入/輸出端添加磁珠（如BLM18PG121SN1）隔離數(shù)字噪聲。
• 數(shù)字電源（1.8V）：
  • 單獨(dú)LDO供電（如TPS7A37），避免與模擬電源耦合。

三、仿真驗(yàn)證

1. 相位噪聲仿真

• 工具：ADIsimPLL。
• 輸入?yún)?shù)：
  • 參考時(shí)鐘：100MHz，相位噪聲-150dBc/Hz@1kHz。
  • VCO：HMC507LP4E，噪聲模型從廠商數(shù)據(jù)手冊(cè)導(dǎo)入。
  • 環(huán)路帶寬：5MHz，相位裕度50°。
• 結(jié)果：
  輸出頻率3.5GHz時(shí)，1kHz偏移處相位噪聲<-120dBc/Hz（滿(mǎn)足設(shè)計(jì)目標(biāo)）。

2. 抖動(dòng)仿真

• 工具：ADS時(shí)域仿真。
• 方法：

  • 采樣率：20GSa/s（>5倍輸出頻率）。

  • 計(jì)算周期抖動(dòng)（RMS）：

• 結(jié)果：周期抖動(dòng)（RMS）=2.8ps（優(yōu)于目標(biāo)值5ps）。

四、PCB布局要點(diǎn)

1. 分層設(shè)計(jì)

• 四層板示例：
  • 頂層：信號(hào)層（參考時(shí)鐘、Vtune、輸出信號(hào)）。
  • 中間層1：模擬電源（3.3V）和地平面。
  • 中間層2：數(shù)字電源（1.8V）和地平面。
  • 底層：信號(hào)層（控制信號(hào)、SPI接口）。

2. 關(guān)鍵信號(hào)布線

• 參考時(shí)鐘差分對(duì)：
  • 長(zhǎng)度匹配誤差<5mil，阻抗控制為100Ω（LVDS）。
  • 遠(yuǎn)離數(shù)字信號(hào)（如SPI總線），間距>20mil。
• Vtune走線：
  • 寬度≥10mil，長(zhǎng)度<50mm，避免經(jīng)過(guò)過(guò)孔。
  • 參考模擬地平面，遠(yuǎn)離數(shù)字地。

3. 電源與地去耦

• LDO去耦：
  • 在LDO輸出端添加0.1μF（0402封裝）和10μF（0805封裝）電容，緊貼LDO引腳。
• 磁珠隔離：
  • 在模擬電源與數(shù)字電源之間串聯(lián)磁珠（如BLM18PG121SN1），阻抗@100MHz>100Ω。

五、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（以3.5GHz輸出為例）

六、擴(kuò)展優(yōu)化方向

1. 擴(kuò)展頻率范圍：
   • 低頻段（<35MHz）：外接低頻VCO（如HMC733LP4E，10MHz~20GHz）。
   • 高頻段（>4.4GHz）：使用倍頻器（如HMC561，輸入2.2GHz~4.4GHz，輸出4.4GHz~8.8GHz）。
2. 降低功耗：
   • 選用低功耗PLL（如ADF4360-7，功耗<50mW@3.3V）。
3. 提高集成度：
   • 使用集成VCO的PLL（如ADF4355，無(wú)需外接VCO，但高頻段性能稍差）。

總結(jié)

本實(shí)例通過(guò) ADF4351 + HMC507LP4E VCO + 三階環(huán)路濾波器 的組合，實(shí)現(xiàn)了 3.5GHz低相位噪聲（-120dBc/Hz@1kHz）、低抖動(dòng)（3.1ps RMS） 的時(shí)鐘信號(hào)輸出。關(guān)鍵設(shè)計(jì)要點(diǎn)包括：

1. 選型低噪聲VCO和差分參考時(shí)鐘源；
2. 優(yōu)化環(huán)路濾波器參數(shù)（帶寬5MHz，相位裕度50°）；
3. 嚴(yán)格PCB分層與信號(hào)隔離（模擬/數(shù)字電源分開(kāi)，關(guān)鍵信號(hào)長(zhǎng)度匹配）。

此方案可直接應(yīng)用于無(wú)線通信測(cè)試、雷達(dá)信號(hào)模擬等場(chǎng)景，也可通過(guò)調(diào)整VCO和分頻器參數(shù)擴(kuò)展至其他頻率范圍。