【经验】Si41XX系列频率合成器的电感器设计

Silicon Laboratories的频率合成器系列在标准CMOS技术中集成了VCO，环路滤波器，参考和VCO分频器以及鉴相器。 根据所使用的合成器，工作频率可能需要外部电感来建立所需的中心工作频率。 这可以通过印刷电路板（PCB）走线或分立的“芯片”电感器实现。本文提供了设计这些外部电感器的准则，以确保最大的制造余量以进行频率调谐。

1、确定L_EXT

许多Silicon Laboratories频率合成器的中心频率是使用外部电感器确定的。 该电感的值由公式1和2确定：

               公式1

                   公式2

其中 f_CEN =所需的合成器中心频率
C_NOM =合成器数据手册中的标称储罐电容
L_PKG =合成器数据手册中的封装电感
L_EXT =需要外部电感

2、实施L_EXT

给定所需的中心频率，一旦确定了所需的外部电感值，就必须选择电感器的实现方式。 两种可能的实现方式是分立的“芯片”电感器或印刷电路板走线

2.1、使用分立的“芯片”电感器
如果L_EXT的要求值大于3 nH，则建议使用分立的“片状”电感器。 该电感应放置在尽可能靠近器件引脚的位置，如图1所示。

 图1.离散“芯片”电感的位置

虽然紧密放置将使分立电感器连接到合成器的走线的电感最小，但这些走线仍会影响总的总体电感。总外部电感包括分立电感和连接线的贡献，如公式3所示：

               公式3

其中L_EXT =外部电感
L_NOM =分立“芯片”电感器的标称值
X = MLP（X_MLP）或TSSOP（X_TSSOP）的比例常数（nH / mm）
J =图1中所示的尺寸（mm）

注意，术语“ J + 0.3”是下一节中使用的有效D尺寸。 同样，X的确定将在下一节中介绍。
分立电感器的选择应使电感器的Q值大于40，电感容差为±10％或更高。

2.2 使用印刷走线电感

如果所需的L_EXT值小于3 nH，则建议使用PCB走线，如图2所示。

 图2.印刷走线电感

表1列出了用于微型引线框封装（MLP）的尺寸，表2列出了用于薄型收缩小外形封装（TSSOP）的尺寸。

表1. MLP使用的尺寸

表2.与TSSOP一起使用的尺寸

图2所示形状的电感与D尺寸成正比。

对于MLP和TSSOP，分别由公式4和5给出比例常数X_MLP或X_TSSOP。

           公式4

               公式5

其中X_MLP = MLP的比例常数
X_TSSOP = TSSOP的比例常数
H =电感走线和接地层之间的电介质厚度，单位为μm
在每个等式中，H是“顶层”金属与包含接地层的层之间的电介质厚度，以μm为单位。 图3说明了尺寸H。

图3.印刷电路板的侧视图

建议H尺寸大于100μm，以降低印刷走线电感对PCB电介质厚度变化的敏感性。 为此，可能有必要从第2层中除去铜并将接地层放置在第3层上。在任何情况下，H都是从电感走线底部到接地平面顶部的距离。 接地层的厚度T2和第1层上的走线T1对计算没有实质影响，应忽略不计。

一旦使用公式4（MLP）或公式5（TSSOP）计算了比例常数（X），就必须计算电感走线的长度。 这可使用公式6来完成。

                       公式6

其中D =图2中以mm为单位的走线长度
LEXT =所需外部电感的计算值
X = MLP（X_MLP）或TSSOP（X_TSSOP）的比例常数
完成此计算后，即可实现跟踪，如图2所示。

3、检查L_EXT的值
一旦实现了所需的电感器，并且已经制造了PCB，就应该验证L_EXT的值。可以按照以下步骤进行操作：
1.在开环模式下测量VCO的最小工作频率。这是通过执行如下所述的一系列寄存器写操作来完成的。

对于IF合成器：
A.0x000062（十六进制）-功率中频合成器和参考放大器。
B.0x00024F-测试寄存器
C.0x000F2D-测试寄存器
D.0x010010-设置主配置寄存器中的测试位
E.0x07FF1D-将VCO设置为其最小频率

对于RF1合成器：
A.0x000052（十六进制）-功率RF合成器和参考放大器。
B.0x010003-虚拟写入以选择RF1合成器
C.0x00024F-测试寄存器
D.0x000F2D-测试寄存器
E.0x010010-设置主配置寄存器中的测试位
F.0x07FF0D-将VCO设置为其最小频率

对于RF2合成器：
A.0x000052（十六进制）-功率中频合成器和参考放大器。
B.0x010004-虚拟写入以选择RF2合成器
C.0x00024F-测试寄存器
D.0x000F2D-测试寄存器
E.0x010010-设置主配置寄存器中的测试位
F.0x07FF0D-将VCO设置为其最小频率

将VCO编程为其最小开环频率后，测量fMIN的值。请注意，该序列的寄存器写操作使器件处于测试模式。数据表中描述的所有寄存器均应使用正常值重写，以实现正确的闭环操作。

2.在开环模式下测量VCO的最大工作频率。这是通过执行如下所述的一系列寄存器写操作来完成的。

对于IF合成器：
A.0x000062（十六进制）-功率中频合成器和参考放大器。
B.0x00024F-测试寄存器
C.0x000F2D-测试寄存器
D.0x010010-设置主配置寄存器中的测试位
E.0x00001D-将VCO设置为其最大频率

对于RF1合成器：
A.0x000052（十六进制）-功率RF合成器和参考放大器。
B.0x010003-虚拟写入以选择RF1合成器
C.0x00024F-测试寄存器
D.0x000F2D-测试寄存器
E.0x010010-设置主配置寄存器中的测试位
F.0x00000D-将VCO设置为其最大频率。

对于RF2合成器：
A.0x000052（十六进制）-功率中频合成器和参考放大器。
B.0x010004-虚拟写入以选择RF2合成器
C.0x00024F-测试寄存器
D.0x000F2D-测试寄存器
E.0x010010-设置主配置寄存器中的测试位
F.0x00000D-将VCO设置为其最大频率。

将VCO编程为其最大开环频率后，测量fMAX的值。请注意，该序列的寄存器写操作使器件处于测试模式。数据表中描述的所有寄存器均应使用正常值重写，以实现正确的闭环操作。

3.使用公式7计算合成器的测量中心频率。

                          公式7

其中f_MEAS =测得的中心频率
f_MIN =测量最小操作频率
f_MAX =测得的最大工作频率
4.使用公式8计算测得的外部电感L_MEAS。

           公式8

L_MEAS =测得的外部电导
f_MEAS =测得的中心频率
C_NOM =合成器数据表中的标称储能电容
L_PKG =合成器数据手册中的封装电感

4、完善L_ext的实现
如果测得的中心频率（f_MEAS）与所需的中心频率（f_CEN）相差2％以上，则建议调整外部电感器以提供最大的制造裕度。如果使用分立式贴片电感器实现该电感器，请使用公式9更改该电感器的标称值。

                 公式9

其中L_NEW =下一步实现的标称外部电感
L_OLD =当前实施的标称外部电感
L_MEAS =从电流实施中测得的外部电感
如果电感器是通过印刷走线实现的，请使用公式10更改走线的D尺寸。

                      公式10

其中D_NEW =图2中所示的尺寸，用于下一步实现，单位mm
D_OLD =当前实施中以毫米为单位的图2中所示的尺寸
L_CALC =根据nH的电流实现计算得出的外部电感的值
L_MEAS =从电流实施中测得的外部电感（nH）
X = MLP（X_MLP）或TSSOP（X_TSSOP）的比例常数，单位为nH / mm
调整电感器后，按照上一节中所述检查LEXT的新值。

5、示例1
假设该应用要求Si4133-BM上RF1合成器的中心频率为1.6 GHz。 电介质的厚度为210μm。
第一步是根据公式2计算所需的外部电感值LEXT：

由于该值小于3 nH，因此将使用打印的跟踪实现。 比例常数由公式4计算得出：

最后，根据等式6：

这是表2中表1的计算值，显示了适合该应用的印刷走线电感。

6、示例2
假设该应用要求Si4133-BM上IF合成器的中心频率为550 MHz。 电介质的厚度为210μm。 第一步是根据公式2计算所需的外部电感值LEXT：

由于该值大于3 nH，因此建议使用分立的“芯片”电感器。 必须根据图1放置标称值为10.0 nH的电感器，并通过重新排列公式3中的项来计算J尺寸：

请注意，电感器在550 MHz时的Q必须大于40，公差必须为±10％或更高。

7、检验设计裕度

请注意，此步骤仅用于电路板和外部VCO调谐电感器设计的初步验证。

可以在设计实现中确定频率调谐裕度。这是通过使用以下过程从合成器寄存器值中回读来完成的，这些值指示VCO的调整范围：
中频合成器：
1.将IF合成器编程为应用中的最高频率。
2.写入0x0001DE（十六进制）以启用对IF调谐代码的读取。
3.从串行接口读取18位。 （请参阅“串行读取时序”。）
4.从接口读取的18位值是调整代码。如果设备具有足够的调整余量，则此值应大于0x40（十六进制）。
5.将IF合成器编程为应用中的最低频率。
6.写入0x0001DE（十六进制）以启用对IF调谐代码的读取。
7.从串行接口读取18位。 （请参阅“串行读取时序”。）
8.从接口读取的18位值是调整代码。如果设备具有足够的调整余量，则此值应小于0x780（十六进制）。

RF1合成器：
1.将RF1合成器编程为处于活动状态，并处于应用程序中的最高频率。
2.写入0x0000DE（十六进制）以允许读取RF调谐代码。
3.从串行接口读取18位。 （请参阅“串行读取时序”。）
4.从接口读取的18位值是调整代码。如果设备具有足够的调整余量，则此值应大于0x40（十六进制）。
5.对RF1合成器进行编程，使其处于活动状态并处于应用程序的最低频率。
6.写入0x0000DE（十六进制）以允许读取RF调谐代码。
7.从串行接口读取18位。 （请参阅“串行读取时序”。）
8.从接口读取的18位值是调整代码 如果设备具有足够的调整余量，则此值应小于0x780（十六进制）。

RF2合成器：
1.将RF2合成器编程为处于活动状态，并处于应用程序的最高频率。
2.写入0x0000DE（十六进制）以允许读取RF调谐代码。
3.从串行接口读取18位。 （请参阅“串行读取时序”。）
4.从接口读取的18位值是调整代码。 如果设备具有足够的调整余量，则此值应大于0x40（十六进制）。
5.对RF2合成器进行编程，使其处于活动状态并处于应用程序的最低频率。
6.写入0x0000DE（十六进制）以允许读取RF调谐代码。
7.从串行接口读取18位。 （请参阅“串行读取时序”。）

 8.从接口读取的18位值是调整代码，如果设备具有足够的调整余量，则此值应小于0x780（十六进制）。

7.1、串行读取时序
除了数据手册中描述的功能外，AUXOUT引脚还可用于读取某些合成器寄存器的内容。 通过如上所述写入0x0001DE和0x0000DE的值，串行接口被配置为读取调谐代码。

在回读期间，AUXOUT引脚的功能是提供设备的串行数据输出。 写入数据手册中所述的任何寄存器将使AUXOUT的功能恢复为其先前编程的功能。 如下图4所示。 有关时序值，请参见表3。

图4.读取时序图

表3.串行读取时序值

8、总结
Silicon Laboratories的频率合成器经过精心设计，可在极端条件下提供稳定的运行。 本文为设计人员提供了信息，以使合成器和使用该系统的系统的操作余量最大化。