級聯(lián)PLL超低噪聲精密時鐘抖動濾除技術(shù)研究

本文針對全方位的信號路徑系統(tǒng)中的高速全差分運放及高頻寬14位模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的隨機及固定時鐘抖動，具體分析、研究了超低噪聲兼時鐘抖動濾除技術(shù)。研究選用雙級聯(lián)PLLatinum架構(gòu)，配置高性能壓控振蕩器(VCXO)，很好地實現(xiàn)了降噪和時鐘抖動濾除的作用。

0 引言

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)傳輸在軍事航空、無線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)構(gòu)建、測試與測量中發(fā)揮了巨大的作用。而時鐘作為通信終端、發(fā)射與接收定量和同步標準，成為不可或缺的關(guān)鍵部分。信號傳輸過程中，晶振參考時鐘本身具有較低的抖動，但由于IC、開關(guān)電源噪聲、數(shù)據(jù)或時鐘線的干擾引起的隨機抖動和周期抖動(PJ)對時鐘質(zhì)量及系統(tǒng)性能都有比較大的影響。

典型的信號路徑設(shè)計由信號傳感器、模擬信號處理區(qū)塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、接口及數(shù)字處理區(qū)塊等多個不同環(huán)節(jié)組成，為了使系統(tǒng)充分發(fā)揮性能，路徑所采用的主要元件必須符合有關(guān)要求。以模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器為例，系統(tǒng)設(shè)計工程師希望其信噪比(SNR)須不可低于60dB,因此14位的高頻寬、頻率要求高達1Gpsp的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器被得以使用。在系統(tǒng)設(shè)計和使用的過程中，使用數(shù)據(jù)信號和參考時鐘定位采樣是重要環(huán)節(jié)，高精密時鐘發(fā)生技術(shù)進而成為亟待發(fā)展的技術(shù)之一。通常情況下，設(shè)計所使用的單鎖相環(huán)(PLL)式時鐘發(fā)生器在工作過程中，乘法器會放大時鐘抖動，同時引入其自身抖動，無法滿足均值抖動指標Jrms1ps@(12KHz~20MHz)的要求。

為了實現(xiàn)超低噪聲精密時鐘的發(fā)生，筆者對級聯(lián)式PLL時鐘抖動濾除技術(shù)做了研究和探討，并對系統(tǒng)時鐘抖動做和具體分析。

1.雙級聯(lián)PLL降噪濾抖設(shè)計

當(dāng)輸入噪聲較大時，系統(tǒng)具有較窄的環(huán)路帶寬如幾十Hz到幾百Hz的情況下，借助本地高性能的壓控振蕩器，如VCXO、OCXO等，可以把參考時鐘輸入的噪聲濾除干凈，鎖相環(huán)輸出優(yōu)越于參考時鐘抖動性能的時鐘信號。

如圖1所示，時鐘發(fā)生采用了級聯(lián)的雙重PLL架構(gòu)，以清除信號抖動，圖中在VCO輸出之后，續(xù)接了一個時鐘分配電路。

第一個PLL采用了很窄的環(huán)路帶寬，以便讓外接的VCXO的頻率鎖定到輸入的參考時鐘信號上。極窄的環(huán)路帶寬可以抑制參考時鐘信號中的大部分相位噪聲，使得VCXO的相位噪聲成為主要的噪聲分量。頻率被鎖定后的VCXO作為基準時鐘輸入第二個PLL,后者采用了較大的環(huán)路帶寬，以便實現(xiàn)內(nèi)置的VCO的鎖定。這一較大的環(huán)路帶寬意味著VCO的相位和頻率都鎖定到VCXO上，因此VCXO的噪聲成為主要分量。

對于高于環(huán)路帶寬的信號相位噪聲，內(nèi)部的VCO的相位噪聲和輸出分頻器與驅(qū)動器將決定輸出信號的相位噪聲。

式(1)表明，總的噪聲是基準時鐘噪聲、PLL噪聲和VCO噪聲的加權(quán)和：

加權(quán)函數(shù)H(f)是低通閉環(huán)傳遞函數(shù)，其中包含了電荷泵增益、環(huán)路濾波器響應(yīng)、VCO增益和反饋通路(N)計數(shù)器等參數(shù)。該式表示了圖1所示的每一級PLL的輸出端的噪聲模型?；鶞蕰r鐘信號噪聲的增益(GREF)以及PLL噪聲的增益(GPLL)也是具體的環(huán)路參數(shù)的函數(shù)。這里我們并不對這些增益和閉環(huán)響應(yīng)H(f)的表達式進行推導(dǎo)，作為結(jié)論討論。一般來說，構(gòu)成H(f)的合成器件的諸多參數(shù)以及在式中所給出的增益值都可以由設(shè)計者來調(diào)整，其選擇的標準是讓合成器的輸出端的總噪聲(STOTAL(f))最小化。在這種情況下，最小化意味著合成后的總噪聲的最小化。當(dāng)對PLL2使用該噪聲方程時，SREF(f)代表VCXO的噪聲。SPLL(f)和SVCO(f)是由器件的特性所決定的，但SREF(f)取決于設(shè)計者所選用的VCXO.

2.技術(shù)分析與仿真

2.1 相噪分析

筆者的實驗及仿真參數(shù)選取如下，PLL1:

125MHz的普通晶體參考輸入，R=120,N=120,100uA的電荷汞電流;PLL2:NBXHGA019 125MHz的參考晶振輸入，R=2,N=10,內(nèi)部VCO分頻設(shè)置為2,環(huán)路帶寬以366kHz,相位余量為85.5度的4階環(huán)路濾波，3.2mA的電荷汞電流;輸出方式為LVPECL,同步輸出分頻選擇各有不同，在2~510之間做隨機選擇。

圖2是輸出時鐘頻率為312.5MHz的相位噪聲分析。相噪由參考輸入的V C X O噪聲、PLL開閉環(huán)噪聲、內(nèi)部VCO噪聲共同決定。圖中表明，總的相噪在1.000kHz處的相位偏移為-113.09dB/Hz,100.000kHz處-128.46dB/Hz,10,000.000kHz處-155.22dB/Hz.

如圖3所示為輸出時鐘頻率分別為10.081MHz和1.358MHz時的時鐘相位噪聲分析圖，由三者比較可知，隨著輸出頻率的增加，相位噪聲逐漸減小，使傳輸過程中的信噪比降低至系統(tǒng)所需60dB以下，滿足設(shè)計需要。

2.2 RMS抖動特性

均值(RMS)抖動是表征時鐘抖動的重要參數(shù)。如表1所示，為筆者在采樣點數(shù)為1001,最低1kHz和最高10MHz的抖動探測中獲取的不同頻率輸出下的RMS抖動情況。在PLL分頻系數(shù)不變的情況下，測量得到的RMS抖動隨著頻率的增加逐漸減小，當(dāng)頻率為312.5MHz時，抖動為168.4fs,而用與提供基準的參考時鐘的0.5pf相比有了極大的提高與改進。表2為不同分頻系數(shù)下輸出時鐘RMS抖動情況，可以很明顯得看到抖動隨系數(shù)的增加在呈現(xiàn)指數(shù)的增長。

3.結(jié)論

由仿真和研究可知，雙級聯(lián)PLL架構(gòu)時鐘發(fā)生設(shè)計，在實現(xiàn)抖動濾除低于300fs的同時，亦可實現(xiàn)多路頻率合成及極低相位噪聲(RMS抖動低至1.8ps@10KHz~5MHz)。超低抖動、低功耗的時鐘發(fā)生技術(shù)滿足了信號路徑設(shè)計的模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣及時鐘和信號保證條件，同時，此類設(shè)計也可以被應(yīng)用于無線基站、微波通信和100GE數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域等。