??? 摘? 要: 介紹了一種用MAX2620構(gòu)建的窄帶壓控振蕩器(VCO),在此基礎(chǔ)上介紹其與鎖相環(huán)芯片Q3236一起構(gòu)建SDH專用的155.520 MHz點(diǎn)頻鎖相式時(shí)鐘源的設(shè)計(jì)方案。該時(shí)鐘源具有低噪聲、高穩(wěn)定性等特點(diǎn),并且成本低廉,具有良好的應(yīng)用前景。?

??? 關(guān)鍵詞: 時(shí)鐘源? SDH? 鎖相環(huán)? 壓控振蕩器(VCO)?

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??? SDH作為一種傳輸體制,在我國(guó)得到了廣泛應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)SDH主干網(wǎng)大多是10G光纖網(wǎng),隨著光通信技術(shù)的發(fā)展,傳輸速率還將不斷提高。SDH網(wǎng)同步結(jié)構(gòu)通常采用主從同步方式,要求所有網(wǎng)元時(shí)鐘的定時(shí)都能最終跟蹤全網(wǎng)的基準(zhǔn)主時(shí)鐘。ITU-T對(duì)SDH各節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘參數(shù)如時(shí)鐘的中心頻率、頻率準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度、時(shí)鐘的抖動(dòng)和漂移等以及牽入范圍、牽出范圍、保持范圍等都作了嚴(yán)格的規(guī)定^[1]。在SDH系統(tǒng)中,是以155.520Mbit/s的同步傳送模塊(STM-1)作為基本的信息模塊,而高速率的信號(hào)是將N個(gè)STM-1信號(hào)同步復(fù)用,形成STM-N^[2],因此SDH網(wǎng)中大量使用155.520 MHz的時(shí)鐘源作為網(wǎng)元定時(shí)時(shí)鐘。本文將介紹如何用集成電路MAX2620和集總 LC元件構(gòu)成窄帶VCO電路模塊,進(jìn)而同鎖相環(huán)芯片Q3236一起構(gòu)成鎖相環(huán)式的低噪聲、高穩(wěn)定性的155.520MHz時(shí)鐘電路。?

1 電路方案設(shè)計(jì)?

??? 圖1所示為鎖相環(huán)(PLL)的基本電路組成^[3]。其中REF代表參考信號(hào)源,1/R為參考源分頻器,PD為相位檢波器,LF為環(huán)路濾波器,VCO為壓控振蕩器,1/N為N分頻器。?

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??? SDH專用的155.520MHz的VCXO(壓控晶振),國(guó)外已有,但國(guó)產(chǎn)的很少,而且價(jià)格比較昂貴。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等器件都是寬頻段使用的。SDH中的時(shí)鐘源是固定的點(diǎn)頻，如STM-1是155.520MHz,因而用上面的那些寬頻段的VCO來設(shè)計(jì)這種點(diǎn)頻電路并不合適,這就需要設(shè)計(jì)一個(gè)窄帶的而且相位噪聲性能優(yōu)越的VCO。雖然可以用分立晶體管、諧振回路以及緩沖放大器來構(gòu)成VCO電路,但相比于IC芯片,穩(wěn)定性差、受電源及分布參數(shù)影響大、調(diào)試不方便。MAXIM公司的MAX2620是一個(gè)可工作于較寬頻率范圍(10～1050MHz)的集成振蕩器芯片,具有高頻雙極工藝所特有的低閃爍噪聲、低噪聲系數(shù)和低寄生r_b的特點(diǎn)。用戶可以根據(jù)自己的需要配適當(dāng)?shù)恼袷幓芈?設(shè)計(jì)出所需中心頻率的壓控振蕩器電路。MAX2620內(nèi)部有源器件對(duì)諧振回路的負(fù)載極輕,從而使振蕩回路具有較高的有載Q值,因而可以用來設(shè)計(jì)窄帶的155.520 MHz點(diǎn)頻的壓控振蕩器電路。?

??? 由相位噪聲理論可知,鎖相環(huán)路中分頻比越大,從輸入到輸出的相位噪聲指標(biāo)的損失也就越大,所以時(shí)鐘電路的鑒相頻率設(shè)定為19.440MHz,以使得鑒相頻率盡可能高,鎖相環(huán)分頻比小。常規(guī)的PLL集成電路如Motorola的MC14515X系列，鑒相頻率最高為2MHz,不能適用。QualComm的Q3236,鑒相頻率可達(dá)到上百M(fèi)Hz,可應(yīng)用于此項(xiàng)設(shè)計(jì)中。?

2 155.520 MHz的VCO設(shè)計(jì)?

??? MAXIM公司的MAX2620是一使用極其方便的振蕩器芯片,它的內(nèi)部組成示意圖^[4]如圖2所示。?

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??? MAX2620提供一個(gè)緩沖放大輸出級(jí),能夠減少負(fù)載變化對(duì)振蕩器頻率的影響。供電電壓范圍在+2.7V～+5.25V之間，內(nèi)部設(shè)有偏置電路穩(wěn)定其工作點(diǎn),使工作受電源波動(dòng)的影響小,并具有電源關(guān)斷能力，由端控制。兩個(gè)互補(bǔ)的輸出可以構(gòu)成兩個(gè)單端輸出或一個(gè)差分輸出。由于是集電極開路輸出,輸出端需要上拉到Vcc?？梢杂秒姼谢螂娮鑱砩侠?但是對(duì)于差分輸出,兩端上應(yīng)采用相同的方式。對(duì)于50Ω的負(fù)載,用電感上拉時(shí),單端輸出電平可達(dá)-6dBm(峰-峰電壓為320mV);而用電阻上拉時(shí),輸出可達(dá)-10dBm(200mV)。在本設(shè)計(jì)中MAX2620的兩路輸出,一路輸出到PLL以供鑒相使用。為使穩(wěn)定性好,此路用電阻上拉。另一路輸出,經(jīng)過緩沖放大,作為時(shí)鐘輸出,為了使其輸出功率大,用電感上拉。?

??? MAX2620需外接RF諧振回路構(gòu)成VCO電路,如圖3所示。?

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??? 此電路的形式是典型的Colpitts共集電極拓樸結(jié)構(gòu),此種拓樸結(jié)構(gòu)可工作在很寬的頻率范圍內(nèi),從中頻直到射頻^[4]。MAX2620手冊(cè)中說明其工作頻率范圍為10MHz～1050MHz。諧振回路在圖3的左方,經(jīng)過pin(2),pin(3)接入,主要包括電容C0～C4、諧振電感L1、變?nèi)莨蹸var,調(diào)諧電壓經(jīng)過電阻Rt接入。?

??? 對(duì)于155.520MHz點(diǎn)頻時(shí)鐘源的壓控振蕩器,不需要寬的調(diào)諧范圍。利用這一點(diǎn),變?nèi)莨芸赏ㄟ^C0接入諧振回路。為了減輕耦合,C0值取為1.8pF。變?nèi)莨蹸_var可以選擇普通的MV2107,C_var=22pF(偏置-4V時(shí)的電容量)。50MHz的Qmin=350,折算到155MHz，Q約為115。經(jīng)過C0后,諧振回路的等效Q升高至少5倍以上,達(dá)到了即便采用廉價(jià)的Q較低的變?nèi)莨?也可設(shè)計(jì)出Q較高的諧振回路的目的。?

??? 諧振回路電感采用表面貼式的諧振電感，該電感具有輻射干擾小、受分布電容影響小、調(diào)試方便等特點(diǎn)。電感值選為47nH，當(dāng)諧振頻率為155.520MHz時(shí),由諧振公式得諧振回路總電容C_T=22.34pF。經(jīng)過調(diào)試,VCO電路的具體元件參數(shù)如下:?

??? Rt=1～3kΩ,Cvar用 MV2107型變?nèi)莨?諧振電感L1=47nH,C0=1.8pF，C1=18pF，C2=5pF，C3=6.8pF，C4=4.3pF,輸出端OUT上拉電感L2為100nH,輸出端上拉電阻R0=50Ω。?

3 鎖相環(huán)芯片Q3236的介紹及其環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)?

??? QualComm的Q3236是一種可在高達(dá)2GHz頻段工作的分頻次數(shù)可編程的數(shù)字鎖相環(huán)芯片,正常工作狀態(tài)下功耗小于0.6W。其內(nèi)部電路^[6]如圖4所示。?

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??? 參考信號(hào)(REFIN)與VCO反饋信號(hào)(FVCO)輸入端均可設(shè)為差分輸入或單端輸入,并有較高的輸入靈敏度,電平要求為-10dBm～+5dBm，輸入阻抗為50Ω。?

??? 內(nèi)置VCO的分頻器工作于前置預(yù)分頻模式時(shí),工作頻率可高達(dá)2GHz。由內(nèi)部的除10/11前置分頻器、4位的低位A計(jì)數(shù)器和9位的高位M計(jì)數(shù)器所構(gòu)成的吞脈沖計(jì)數(shù)器來完成總分頻N。當(dāng)不用前置預(yù)分頻時(shí),Q3236的工作頻率最高為300MHz。1/R為參考源分頻器。Q3236分頻器的置數(shù)方式有三種:串行模式、8位總線模式以及并行直接置數(shù)模式。?

??? Q3236需要外接環(huán)路濾波器。在本設(shè)計(jì)中采用一階有源比例低通濾波器,如圖5所示。?

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??? 采用低噪聲運(yùn)放TLE2037及R、C元件構(gòu)成環(huán)路濾波器, R、C等元件值由鎖相環(huán)參數(shù)求出。?

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??? 對(duì)于點(diǎn)頻時(shí)鐘電路,穩(wěn)定度高,所以選擇鎖相環(huán)3dB帶寬B_3dB=1kHz， 阻尼系數(shù)ξ =0.707。已知Q3236的鑒相系數(shù)k_d=302mV/rad,VCO在155.52MHz處的壓控靈敏度k_o=2π×80 rad/s.V。在設(shè)定C=0.1μF和預(yù)濾波截止頻率為2.5kHz的條件下，代入上面的公式算得元件值如下:?

??? R₁/2=10kΩ;R₂=4.3kΩ;C_p=0.02μF?

4 鎖相式時(shí)鐘電路?

??? 根據(jù)上面對(duì)鎖相環(huán)路各部分電路的分析和設(shè)計(jì),可設(shè)計(jì)出下面的鎖相式時(shí)鐘電路方案,如圖6所示。?

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??? 實(shí)際電路制作在一塊72mm×72mm的雙層板上,電源電壓為?

+5V。VCO的頻率覆蓋范圍為155.400043MHz～155.646042MHz，在155.520MHz處的壓控靈敏度ko為2π×80 krad/s.V,兩路輸出電平,OUT端為-6dBm，端為-10dBm。用高穩(wěn)綜合信號(hào)源作為參考信號(hào),測(cè)得時(shí)鐘源輸出為155.52000MHz,輸出功率≥10dBm,信號(hào)純度高，雜散少。?

??? 由集總LC元件和MAX2620構(gòu)成的窄帶VCO具有穩(wěn)定性高、受外界分布參數(shù)影響小、調(diào)試方便、體積小、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。該VCO和Q3236芯片構(gòu)成鎖相環(huán)式155.520MHz點(diǎn)頻時(shí)鐘源,工作于高達(dá)19.440MHz的鑒相頻率,使輸入到輸出的相位噪聲惡化減小。測(cè)試結(jié)果表明該時(shí)鐘源頻率穩(wěn)定性高、相位噪聲低。這就為SDH時(shí)鐘設(shè)備的小型化和批量生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。?

參考文獻(xiàn)?

1 Timing Characteristics of Slave Clocks Suitable for?Operation in SDH Equipments.ITU-T Rec.G.813，1995?

2 韋樂平.光同步數(shù)字傳送網(wǎng). 北京:人民郵電出版社,1999?

3 Best R E. Phase-locked Loops，Theory， Design， and?Application. New York： McGraw-Hill Inc，1984?

4 MAX2620’s DataSheet.MAXTM，1996?

5 Peter Vizmuller，RF Design Guide，Systems，Circiuts，and?Equations.Artech House Boston.London，1995?

6 Qualcomm Q3236，2.0 GHz Low Power PLL Frequency?Synthesizer. Technical Data Sheet， February 1996