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各种电源管理要求的基本锁相环,如何影响相位噪声?

各种电源管理要求的基本锁相环,如何影响相位噪声?

锁相环(PLL)是现代通信系统的基本构建模块PLLs 通常用在无线电接收机或发射机中,主要提供"本振"(LO)功能;也可用于时钟信号分配和降噪,而且越来越多地用作高采样速率模数或数模转换的时钟源。
由于每一代PLL的噪声性能都在改善,因此电源噪声的影响变得越来越明显,某些情况下甚至可限制噪声性能。我们今天讨论下图1所示的基本PLL方案,并考察每个构建模块的电源管理要求。
图1.显示各种电源管理要求的基本锁相环
PLL中,反馈控制环路驱动电压控制振荡器(VCO),使振荡器频率(或相位)精确跟踪所施加基准频率的倍数。许多优秀的参考文献 (例如Best的锁相环),解释了PLL的数学分析;ADI的ADIsimPLL™等仿真工具则对了解环路传递函数和计算很有帮助。下面让我们依次考察一下PLL构建模块。
VCO和VCO推压
电压控制振荡器将来自鉴相器的误差电压转换成输出频率。器件"增益"定义为KVCO,通常以MHz/V表示。电压控制可变电容二极管(变容二极管)常用于调节VCO内的频率。VCO的增益通常足以提供充分的频率覆盖范围,但仍不足以降低相位噪声,因为任何变容二极管噪声都会被放大KVCO倍,进而增加输出相位噪声。
多频段集成VCO的出现,例如用于频率合成器ADF4350的集成VCO,可避免在KVCO与频率覆盖范围间进行取舍,使PLL设计人员可以使用包含数个中等增益VCO的IC以及智能频段切换程序,根据已编程的输出频率选择适当的频段。这种频段分割提供了宽广的总体范围和较低噪声。
除了需要从输入电压变化转换至输出频率变化(KVCO),外,电源波动也会给输出频率变化带来干扰成分。VCO对电源波动的灵敏度定义为VCO 推压 (Kpushing),通常是所需KVCO的一小部分。例如,Kpushing 通常是KVCO的5%至20%。因此,对于高增益VCO,推压效应增大,VCO电源的噪声贡献就更加举足轻重。
VCO推压的测量方法如下:向VTUNE引脚施加直流调谐电压,改变电源电压并测量频率变化。推压系数是频率变化与电压变化之比,如表1所示,使用的是ADF4350 PLL。

表1. ADF4350 VCO推压测
另一种方法:将低频方波直流耦合至电源内,同时观察VCO频谱任一侧上的频移键控 (FSK)调制峰值(图2)。峰值间频率偏差除以方波幅度,便得出VCO推压系数。该测量方法比静态直流测试更精确,因为消除了与直流输入电压变化相关的任何热效应。

图2.ADF4350 VCO通过10kHz、0.6vp-p方波响应电源调制的频谱分析仪曲线图
图2显示ADF4350 VCO输出在3.3 GHz、对标称3.3 V电源施加10 kHz、0.6 Vp-p方波时的频谱分析仪曲线图。对于1.62 MHz/0.6 V或2.7 MHz/V的推压系数,最终偏差为3326.51 MHz – 3324.89 MHz = 1.62 MHz。该结果可与表1中的静态测量 2.3 MHz/V比较。
在PLL系统中,较高的VCO推压意味着VCO电源噪声的增加倍数更大。为尽可能降低对VCO相位噪声的影响,需要低噪声电源。
不同低压差调节器(LDO)如何影响PLL相位噪声?
举个例子,ADP3334调节器的集成均方根噪声为27 μV(40多年来,从10 Hz至100 kHz)。该结果可与ADF4350评估板上使用的LDO ADP150的9 μV比较。图3中可以看出已测量PLL相位噪声频谱密度的差异。测量使用4.4 GHz VCO频率进行,其中VCO推压为最大值(表1),因此属于最差情况结果。ADP150调节器噪声足够低,因此对 VCO噪声的贡献可以忽略不计,使用两节(假定"无噪声")AA电池重复测量可确认这一点。

图3.使用ADP3334和ADP150LDO对(AA电池)供电时ADF4350在4.4GHz下的相位噪声比较
图3强调了低噪声电源对于ADF4350的重要性,但对电源或 LDO的噪声该如何要求呢?
与VCO噪声类似,LDO的相位噪声贡献可以看成加性成分ΦLDO(t), 如图4所示。

图4.小信号加性vco电源噪声模型
再次使用VCO超额相位表达式得到:

或者在频域中为:

其中vLDO(f)是LDO的电压噪声频谱密度。
1 Hz带宽内的单边带电源频谱密度SΦ(f)由下式得出:

以dB表示时,用于计算电源噪声引起的相位噪声贡献的公式如下:

其中L(LDO) 是失调为f时,调节器对VCO相位噪声(以dBc/Hz表示)的噪声贡献;f; Kpushing是VCO推压系数,以Hz/V表示;vLDO(f)是给定频率偏移下的噪声频谱密度,以V/√Hz表示.
在自由模式VCO中,总噪声为LLDO值加VCO噪声。以dB表示则为:

例如,试考虑推压系数为10 MHz/V、在100 kHz偏移下测得相位噪声为–116 dBc/Hz的VCO:要在100 kHz下不降低VCO噪声性能,所需的电源噪声频谱密度是多少?电源噪声和VCO噪声作为方和根添加,因此电源噪声应比VCO噪声至少低6 dB,以便将噪声贡献降至最低。所以LLDO应小于–122 dBc/Hz。使用公式1,

求解vLDO(f),
在100 kHz偏移下,vLDO(f)= 11.2 nV/√
给定偏移下的LDO噪声频谱密度通常可通过LDO数据手册的典型性能曲线读取。
当VCO连接在负反馈PLL内时,LDO噪声以类似于VCO噪声的方式通过PLL环路滤波器进行高通滤波。因此,上述公式仅适用于大于PLL环路带宽的频率偏移。在PLL环路带宽内,PLL可成功跟踪并滤 LDO噪声,从而降低其噪声贡献。
LDO滤波
要改善LDO噪声,通常有两种选择:使用具有更少噪声的LDO,或者对LDO输出进行后置滤波。当无滤波器的噪声要求超过经济型LDO的能力时,滤波选项可能是不错的选择。简单的LC π 滤波器通常足以将带外LDO噪声降低20 dB(图5)。

图5.用于衰减LDO噪声的LCπ滤波器
选择器件时需要非常小心。典型电感为微亨利范围内(使用铁氧体磁芯),因此需要考虑电感数据手册中指定的饱和电流 (ISAT),作为电感下降10%时的直流电平。VCO消耗的电流应小于ISAT. 有效串联电阻(ESR)也是一个问题,因为它会造成滤波器两端的IR压降。对于消耗300 mA直流电流的微波VCO,需要ESR小于0.33 ?的电感,以产生小于100 mV的IR压降。较低的非零ESR还可抑制滤波器响应并改善LDO稳定性。为此,选择具有极低寄生ESR的电容并添加专用串联电阻可能较为实际。上述方案可使用可下载的器件评估器如NI Multisim™在SPICE 中轻松实现仿真。
电荷泵和滤波器
电荷泵将鉴相器误差电压转换为电流脉冲,并通过PLL环路滤波器进行积分和平滑处理。电荷泵通常可在最多低于其电源电压(VP)0.5 V的电压下工作。例如,如果最大电荷泵电源为5.5 V,那么电荷泵只能在最高5 V输出电压下工作。如果VCO需要更高的调谐电压,则通常需要有源滤波器。有关实际PLL的有用信息和参考设计,请参见电路笔记CN-0174,5处理高压的方式请参见"利用高压VCO设计高性能锁相环,"该文章发表于模拟对话第43卷第4期(2009)。有源滤波器的替代方案是使用PLL和针对更高电压设计的电荷泵,例如ADF4150HV.ADF4150HV可使用高达30 V的电荷泵电压工作,从而在许多情况中省去了有源滤波器。
电荷泵的低功耗使其看似颇具吸引力,可使用升压转换器从较低的电源电压产生高电荷泵电压,然而与此类DC-DC转换器相关的开关频率纹波可能在VCO的输出端产生干扰杂散音。高PLL杂散可能造成发射机发射屏蔽测试失败,或者降低接收机系统内的灵敏度和带外阻塞性能。为帮助指导转换器纹波的规格,使用图6的测量设置针对各种PLL环路带宽获得全面电源抑制曲线图与频率的关系。

图6.测量电荷泵电源抑制的设置
17.4 mV (–22 dBm)的纹波信号经交流耦合至电源电压,并在频率范围内进行扫描。在每一频率下测量杂散水平,并根据–22dBm输入与杂散输出电平间的差异(以dB表示)计算PSR。留在适当位置的0.1 μF和1 nF电荷泵电源去耦电容为耦合信号提供一定衰减,因此发生器处的信号电平增加,直至在各频率点下引脚上直接测得17.4 mV。结果如图7所示。

图7.ADF4150HF电荷泵电源抑制曲线图
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