鎖相環(huán)的電源管理設(shè)計(jì)

　　鎖相環(huán)（PLL）是現(xiàn)代通信系統(tǒng)的基本構(gòu)建模塊PLLs通常用在無(wú)線電接收機(jī)或發(fā)射機(jī)中，主要提供“本振”（LO）功能；也可用于時(shí)鐘信號(hào)分配和降噪，而且越來(lái)越多地用作高采樣速率模數(shù)或數(shù)模轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘源，由于每一代PLL的噪聲性能都在改善，因此電源噪聲的影響變得越來(lái)越明顯，某些情況下甚至可限制噪聲性能。

　　本文討論圖1所示的基本PLL方案，并考察每個(gè)構(gòu)建模塊的電源管理要求。

　　圖1.顯示各種電源管理要求的基本鎖相環(huán)

　　PLL中，反饋控制環(huán)路驅(qū)動(dòng)電壓控制振蕩器（VCO），使振蕩器頻率（或相位）精確跟蹤所施加基準(zhǔn)頻率的倍數(shù)。許多優(yōu)秀的參考文獻(xiàn) （例如Best的鎖相環(huán)1），解釋了PLL的數(shù)學(xué)分析；ADI的ADIsimPLL?等仿真工具則對(duì)了解環(huán)路傳遞函數(shù)和計(jì)算很有幫助。下面讓我們依次考察一下PLL構(gòu)建模塊。

　　VCO和VCO推壓

　　電壓控制振蕩器將來(lái)自鑒相器的誤差電壓轉(zhuǎn)換成輸出頻率。器件“增益”定義為KVCO，通常以MHz/V表示。電壓控制可變電容二極管（變?nèi)荻O管） 常用于調(diào)節(jié)VCO內(nèi)的頻率。VCO的增益通常足以提供充分的頻率覆蓋范圍，但仍不足以降低相位噪聲，因?yàn)槿魏巫內(nèi)荻O管噪聲都會(huì)被放大KVCO倍，進(jìn)而增加輸出相位噪聲。

　　多頻段集成VCO的出現(xiàn)，例如用于頻率合成器ADF4350的集成VCO，可避免在KVCO與頻率覆蓋范圍間進(jìn)行取舍，使PLL設(shè)計(jì)人員可以使用包含數(shù)個(gè)中等增益VCO的IC以及智能頻段切換程序，根據(jù)已編程的輸出頻率選擇適當(dāng)?shù)念l段。這種頻段分割提供了寬廣的總體范圍和較低噪聲。

　　除了需要從輸入電壓變化轉(zhuǎn)換至輸出頻率變化（KVCO）外，電源波動(dòng)也會(huì)給輸出頻率變化帶來(lái)干擾成分。VCO對(duì)電源波動(dòng)的靈敏度定義為VCO 推壓（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，對(duì)于高增益VCO，推壓效應(yīng)增大，VCO電源的噪聲貢獻(xiàn)就更加舉足輕重。

　　VCO推壓的測(cè)量方法如下：向VTUNE引腳施加直流調(diào)諧電壓，改變電源電壓并測(cè)量頻率變化。推壓系數(shù)是頻率變化與電壓變化之比，如表1所示，使用的是ADF4350 PLL。

　　參考文獻(xiàn)2中提到了另一種方法：將低頻方波直流耦合至電源內(nèi)，同時(shí)觀察VCO頻譜任一側(cè)上的頻移鍵控 （FSK）調(diào)制峰值（圖2）。峰值間頻率偏差除以方波幅度，便得出VCO推壓系數(shù)。該測(cè)量方法比靜態(tài)直流測(cè)試更精確，因?yàn)橄伺c直流輸入電壓變化相關(guān)的任何熱效應(yīng)。圖2顯示ADF4350 VCO輸出在3.3 GHz、對(duì)標(biāo)稱3.3 V電源施加10 kHz、0.6 V p-p方波時(shí)的頻譜分析儀曲線圖。對(duì)于1.62 MHz/0.6 V或2.7 MHz/V的推壓系數(shù)，最終偏差為3326.51 MHz – 3324.89 MHz = 1.62 MHz。該結(jié)果可與表1中的靜態(tài)測(cè)量 2.3 MHz/V比較。

　　圖2.ADF4350 VCO通過(guò)10kHz、0.6v p-p方波響應(yīng)　　電源調(diào)制的頻譜分析儀曲線圖

　　在PLL系統(tǒng)中，較高的VCO推壓意味著VCO電源噪聲的增加倍數(shù)更大。為盡可能降低對(duì)VCO相位噪聲的影響，需要低噪聲電源。

　　參考文獻(xiàn)3和參考文獻(xiàn)4提供了不同低壓差調(diào)節(jié)器（LDO）如何影響PLL相位噪聲的示例。例如，文獻(xiàn)中對(duì)ADP3334和ADP150 LDO為ADF4350供電時(shí)的性能進(jìn)行了比較。ADP3334調(diào)節(jié)器的集成均方根噪聲為27 μV（40多年來(lái)，從10 Hz至100 kHz）。該結(jié)果可與ADF4350評(píng)估板上使用的LDO ADP150的9 μV比較。圖3中可以看出已測(cè)量PLL相位噪聲頻譜密度的差異。測(cè)量使用4.4 GHz VCO頻率進(jìn)行，其中VCO推壓為最大值（表1），因此屬于最差情況結(jié)果。ADP150調(diào)節(jié)器噪聲足夠低，因此對(duì) VCO噪聲的貢獻(xiàn)可以忽略不計(jì)，使用兩節(jié)（假定“無(wú)噪聲”）AA電池重復(fù)測(cè)量可確認(rèn)這一點(diǎn)。

　　圖3.使用ADP3334和ADP150LDO對(duì)（AA電池）供電時(shí)ADF4350在4.4GHz下的相位噪聲比較

　　圖3強(qiáng)調(diào)了低噪聲電源對(duì)于ADF4350的重要性，但對(duì)電源或 LDO的噪聲該如何要求呢？

　　與VCO噪聲類似，LDO的相位噪聲貢獻(xiàn)可以看成加性成分LDO（t）， 如圖4所示。再次使用VCO超額相位表達(dá)式得到：

　　或者在頻域中為：

　　其中vLDO（f）是LDO的電壓噪聲頻譜密度。

　　1 Hz帶寬內(nèi)的單邊帶電源頻譜密度SΦ（f）由下式得出：

　　以dB表示時(shí)，用于計(jì)算電源噪聲引起的相位噪聲貢獻(xiàn)的公式如下：

　　 （1）

　　其中 L（LDO）是失調(diào)為f時(shí)，調(diào)節(jié)器對(duì)VCO相位噪聲（以dBc/Hz表示）的噪聲貢獻(xiàn)； f; Kpushing是VCO推壓系數(shù)，以Hz/V表示；vLDO（f）是給定頻率偏移下的噪聲頻譜密度，以V/√Hz表示。

　　圖4.小信號(hào)加性vco電源噪聲模型

　　在自由模式VCO中，總噪聲為 LLDO值加VCO噪聲。以dB表示則為：

　　例如，試考慮推壓系數(shù)為10 MHz/V、在100 kHz偏移下測(cè)得相位噪聲為–116 dBc/Hz的VCO：要在100 kHz下不降低VCO噪聲性能，所需的電源噪聲頻譜密度是多少？電源噪聲和VCO噪聲作為方和根添加，因此電源噪聲應(yīng)比VCO噪聲至少低6 dB，以便將噪聲貢獻(xiàn)降至最低。所以LLDO應(yīng)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/√

　　給定偏移下的LDO噪聲頻譜密度通?？赏ㄟ^(guò)LDO數(shù)據(jù)手冊(cè)的典型性能曲線讀取。

　　當(dāng)VCO連接在負(fù)反饋PLL內(nèi)時(shí)，LDO噪聲以類似于VCO噪聲的方式通過(guò)PLL環(huán)路濾波器進(jìn)行高通濾波。因此，上述公式僅適用于大于PLL環(huán)路帶寬的頻率偏移。在PLL環(huán)路帶寬內(nèi)，PLL可成功跟蹤并濾 LDO噪聲，從而降低其噪聲貢獻(xiàn)。

　　LDO濾波

　　要改善LDO噪聲，通常有兩種選擇：使用具有更少噪聲的LDO，或者對(duì)LDO輸出進(jìn)行后置濾波。當(dāng)無(wú)濾波器的噪聲要求超過(guò)經(jīng)濟(jì)型LDO的能力時(shí)，濾波選項(xiàng)可能是不錯(cuò)的選擇。簡(jiǎn)單的LC π 濾波器通常足以將帶外LDO噪聲降低20 dB（圖5）。

　　圖5.用于衰減LDO噪聲的LCπ濾波器

　　選擇器件時(shí)需要非常小心。典型電感為微亨利范圍內(nèi)（使用鐵氧體磁芯），因此需要考慮電感數(shù)據(jù)手冊(cè)中指定的飽和電流（ISAT）， 作為電感下降10%時(shí)的直流電平。VCO消耗的電流應(yīng)小于ISAT. 有效串聯(lián)電阻（ESR） 也是一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)樗鼤?huì)造成濾波器兩端的IR壓降。對(duì)于消耗300 mA直流電流的微波VCO，需要ESR小于0.33 ？的電感，以產(chǎn)生小于100 mV的IR壓降。較低的非零ESR還可抑制濾波器響應(yīng)并改善LDO穩(wěn)定性。為此，選擇具有極低寄生ESR的電容并添加專用串聯(lián)電阻可能較為實(shí)際。上述方案可使用可下載的器件評(píng)估器如NI Multisim?在SPICE 中輕松實(shí)現(xiàn)仿真。

　　電荷泵和濾波器

　　電荷泵將鑒相器誤差電壓轉(zhuǎn)換為電流脈沖，并通過(guò)PLL環(huán)路濾波器進(jìn)行積分和平滑處理。電荷泵通?？稍谧疃嗟陀谄潆娫措妷海╒P）0.5 V的電壓下工作。例如，如果最大電荷泵電源為5.5 V，那么電荷泵只能在最高5 V輸出電壓下工作。如果VCO需要更高的調(diào)諧電壓，則通常需要有源濾波器。有關(guān)實(shí)際PLL的有用信息和參考設(shè)計(jì)，請(qǐng)參見電路筆記CN-0174，5，處理高壓的方式請(qǐng)參見利用高壓VCO設(shè)計(jì)高性能鎖相環(huán)，”6該文章發(fā)表于模擬對(duì)話第43卷第4期（2009）。有源濾波器的替代方案是使用PLL和針對(duì)更高電壓設(shè)計(jì)的電荷泵，例如ADF4150HV ADF4150HV可使用高達(dá)30 V的電荷泵電壓工作，從而在許多情況中省去了有源濾波器。