PLL頻率合成器的雜散性能分析

陳葉民,劉長明

（國營第七一三廠設(shè)計(jì)所,江西 九江 332005）

0 引言

頻率合成器作為無線通信設(shè)備的核心部件,其性能的好壞直接決定了無線系統(tǒng)的應(yīng)用性能。PLL作為頻率合成的一種手段,始終是高性能頻率合成器設(shè)計(jì)的首選。PLL頻率合成器的關(guān)鍵指標(biāo)主要有相位噪聲、雜散抑制和換頻時間等。由于換頻時間不具有普遍性,僅在頻率捷變系統(tǒng)中有嚴(yán)格的要求,另外關(guān)于相位噪聲性能分析的資料較多,因此本文僅對頻譜雜散進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 雜散性能分析

1.1 雜散概念

雜散是指和輸出信號沒有諧波關(guān)系的一些無用譜。在頻譜上可能表現(xiàn)為若干對稱邊帶,也可能表現(xiàn)為信號頻率譜線旁存在的非諧波關(guān)系的離散單根譜線。這些譜線的幅度一般都高于噪聲。通常用與載波頻率成非諧波關(guān)系的離散頻譜功率與載波功率之比來表征PLL的雜散性能,也就是常說的雜散抑制指標(biāo),以dBc表示。

1.2 雜散分析及工程解決方法

雜散其實(shí)也屬于噪聲的范疇,其傳輸特性與相位噪聲的傳輸特性基本一致。從PLL的傳輸特性分析,任何一個環(huán)節(jié)都可能成為引入雜散的途徑,這也使得因引入雜散的途徑和起因的不一樣導(dǎo)致雜散種類眾多,對雜散的分析也更為復(fù)雜。因此,下面結(jié)合工程實(shí)際,對不同類型的雜散進(jìn)行具體分析,并提出合理的改善手段。

1.2.1 鑒相泄漏引入的雜散

在PLL頻率合成器的設(shè)計(jì)中,由鑒相泄漏引入的雜散是最常見的雜散,它出現(xiàn)在鑒相頻率的整數(shù)倍上,如圖1所示。

它主要是由于充電泵的電流泄漏效應(yīng)以及電路失配所致,通常抑制該類雜散的手段主要通過環(huán)路濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。在工程上采用高階環(huán)路濾波器能對該類雜散有著較好的抑制,一般的PLL采用三階環(huán)路濾波器基本能夠滿足要求。

圖1 由鑒相泄漏引入的雜散

1.2.2 小數(shù)分頻引入的雜散

傳統(tǒng)的整數(shù)頻率合成器通常采用提高鑒相頻率的方法來降低輸出信號的相位噪聲,這樣便難以滿足小頻率步進(jìn)的要求。小數(shù)分頻技術(shù)的應(yīng)用解決了這一突出的矛盾,但同時又導(dǎo)致嚴(yán)重的小數(shù)分頻雜散。在工程上為了解決小數(shù)分頻雜散問題,引入了Σ-Δ調(diào)制技術(shù)。Σ-Δ調(diào)制器的噪聲成形技術(shù)可以有效地改變噪聲的頻譜特性,通過環(huán)路濾波抑制雜散,是單一鎖相環(huán)路實(shí)現(xiàn)小步進(jìn)、低相噪的最佳途徑。目前CONEXANT公司的CX72301,ADI公司的ADF4153,MAXIM公司的MAX2150等,普遍都能將小數(shù)分頻雜散抑制到一個可以接受的水平。

1.2.3 外部串?dāng)_引入的雜散

PLL頻率合成器可能處于不同的電磁環(huán)境下工作,在屏蔽隔離不夠的情況下,各種外部頻率源都可能形成對PLL頻率合成器的串?dāng)_,主要包括:顯示器、各種電話、單元板中其他元件、閃爍燈光、交流電源和計(jì)算機(jī)等。一根長的信號走線可以等效成一根天線,從而引入干擾。因此,從工程上解決該類雜散的最好方法就是對敏感電路的屏蔽以及合理的PCB設(shè)計(jì)。

1.2.4 輔助PLL引入的雜散

該類雜散只產(chǎn)生于雙PLL芯片的頻率合成器中,在頻譜上可以看到離載波頻率的頻偏為主PLL和輔助PLL（有時也可能是其高階諧波）的輸出頻差。如果主PLL和輔助PLL的輸出頻率比較接近時,這種雜散最可能產(chǎn)生。其主要原因在于板上的寄生電容導(dǎo)致高頻信號的線間串?dāng)_,以及芯片內(nèi)部的相互串?dāng)_。PLL的充電泵電源對高頻噪聲極為敏感,在設(shè)計(jì)上一定要加強(qiáng)濾波隔離。同時輔助PLL不用的話,盡量在設(shè)計(jì)中關(guān)斷其工作電源,以減少其對主PLL的干擾。

1.2.5 參考頻率引入的雜散

該類雜散通常出現(xiàn)在偏離載波頻率值為參考頻率的整數(shù)倍的地方,其原因是參考頻率的輸入幅度太大,這將產(chǎn)生比較大的諧波分量,最終都可能調(diào)制在載波頻率的兩端。工程上的解決方法主要是對參考信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)臑V波處理,以及保持一個合理的輸入電平。

1.2.6 雙PLL相互串?dāng)_引入的雜散

該類雜散通常出現(xiàn)在2個PLL電路靠的比較近且同時工作的場合。某些情況下,這類雜散將會比較大。其原因在于不合理的電源設(shè)計(jì)以及PCB布局設(shè)計(jì)。2個PLL的充電泵同時工作時,它們將在充電泵電源線上產(chǎn)生噪聲,最終導(dǎo)致雜散的產(chǎn)生。因此,從工程上解決該類雜散的方法就是對不同PLL的充電泵電源進(jìn)行隔離處理,并且盡可能地在充電泵電源線上放置更多的濾波電容,同時必須保證PCB設(shè)計(jì)的合理布局。在某些情況下,還可以考慮改變2個PLL的鑒相頻率,以提高它們之間的頻率差,這樣一個較窄的環(huán)路濾波器也能對該類雜散起到較好的抑制。

1.2.7 環(huán)路濾波器元件引入的虛假雜散

該類雜散的特點(diǎn)是從頻域上來看,并沒有產(chǎn)生新的雜散,僅僅在頻率切換后會導(dǎo)致鑒相泄露引入的雜散電平突然增大。當(dāng)工作頻率改變后,它需要很長時間才能減小到之前的狀態(tài),并穩(wěn)定下來。這種現(xiàn)象在較低鑒相頻率時更為普遍,其原因主要是環(huán)路濾波器的電容泄漏,有些理論也認(rèn)為與環(huán)路濾波器電容的一些其他不理想效應(yīng)有關(guān),如介質(zhì)吸收等。工程上的解決方法主要是使用高品質(zhì)的電容。電容類型主要有鉭電容、X7R、NPO等。另外,采用小數(shù)分頻技術(shù)影響較小,主要是小數(shù)分頻引入的雜散對充電泵泄漏和電容介質(zhì)特性不敏感。

1.2.8 前置分頻器計(jì)數(shù)錯誤引入的雜散

該類雜散通常出現(xiàn)在鑒相頻率的1/2,也可能出現(xiàn)在1/3、2/3或其他一些小數(shù)倍數(shù)的鑒相頻率上。該類雜散是由于前置分頻器計(jì)數(shù)錯誤所引起的,通常導(dǎo)致前置分頻器計(jì)數(shù)錯誤的原因包括高頻輸入腳的阻抗失配、PLL靈敏度的變化和VCO諧波等。即使PLL的靈敏度符合要求,阻抗失配也能使PLL靈敏度和VCO諧波發(fā)生變化;而且,PLL芯片的靈敏度還有一個上限范圍。工程上的解決方法主要有:必須保證PLL芯片的輸入信號電平在芯片標(biāo)識特性的范圍以內(nèi),同時盡可能在工作頻率上實(shí)現(xiàn)阻抗匹配,并且使VCO的諧波抑制小于-20dBc,甚至更低,以減少前置分頻器的計(jì)數(shù)錯誤。

1.2.9 前置分頻器輸出引入的雜散

該類雜散通常離載波頻率比較遠(yuǎn),偏移值為VCO輸出頻率除以分頻比。在多數(shù)應(yīng)用中,對該類雜散并不關(guān)心,因?yàn)樗趲狻Ｆ湓蛑饕荘LL芯片與VCO輸出間隔離度不夠,導(dǎo)致前置分頻器輸出信號反串到VCO輸出端形成干擾。要解決此問題,必須提高PLL輸入腳與VCO之間的隔離度,工程上的解決方法主要有:①在反饋路徑上放一個有足夠衰減量的衰減器,但衰減量的大小又受限于PLL的輸入靈敏度;②在反饋路徑上放一個放大器,以提高其反向隔離度;③使用一個對應(yīng)工作頻段的定向耦合器,但需要占用一定的PCB板空間。

1.2.10 開關(guān)電源引入的雜散

該類雜散離載波頻率的偏移值為開關(guān)電源的工作頻率。在大多數(shù)應(yīng)用中,由于對開關(guān)電源的輸出濾波隔離不夠,直接應(yīng)用到對噪聲敏感的PLL電路中,開關(guān)電源噪聲很容易調(diào)制到VCO的輸出端,在工程上通過良好的濾波隔離基本能夠解決此問題,如果在一些空間受限的場合無法做到很好的濾波隔離時,通常選用一個線性穩(wěn)壓器進(jìn)行二次隔離,能夠取得較好的抑制效果。

2 雜散問題的分析總結(jié)

總的來說,以上雜散并不是PLL雜散的全部,僅僅是在工程設(shè)計(jì)中碰到的相對常見的一些。要處理好PLL的各種雜散問題,必須在一些細(xì)節(jié)上加以注意,才有可能獲得較為滿意的雜散性能。具體表現(xiàn)在以下幾個方面:

①合理的電源去耦設(shè)計(jì)。通常充電泵的電源易受到噪聲的干擾。放置一個100pF,0.01μF,0.1μF能抑制較寬范圍內(nèi)的噪聲。通常把較小的電容放置在離PLL芯片最近的地方,而把大電容放置在離PLL芯片稍遠(yuǎn)一點(diǎn)的地方,這樣在小電容和大電容之間的走線將增加線上的電感,這種做法有助于抑制高頻噪聲。同時在電源線上增加一個小電阻有助于抑制低頻噪聲,這個電阻上的壓降一般保持在0.1V左右,18Ω是一個典型值,但實(shí)際取值應(yīng)根據(jù)工作電流而定;

②合理的PCB布局設(shè)計(jì)。必須確保充電泵的電源線和VCO的壓控線遠(yuǎn)離噪聲信號,盡量在芯片周圍放置一些接地孔,以最小化信號的反饋路徑,并且在頂層與地層之間放置一地層以減少相互間的串?dāng)_;

③合理的屏蔽設(shè)計(jì)。PLL電路屬于噪聲敏感電路,對其進(jìn)行屏蔽設(shè)計(jì)有利于避免外部干擾影響PLL的輸出信號質(zhì)量,也避免了PLL輸出信號對外部設(shè)備的干擾;

④合理的環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)。通常環(huán)路濾波器階數(shù)越高,帶寬越窄對雜散的抑制效果越好。但如果雜散是來自VCO本身,那么更寬的環(huán)路帶寬有助于改善雜散。當(dāng)環(huán)路本身對某些帶外雜散抑制效果不佳時,在環(huán)路濾波器的后端增加一輔助LC低通濾波器對雜散頻率進(jìn)行陷波,能起到很好的雜散抑制效果。

3 雜散性能優(yōu)化的工程案例

某型接收機(jī)PLL頻率合成器的一本振輸出頻率為4219MHz,要求雜散電平小于-65dBc。在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中,PLL芯片選用的是ADF4106。由于是單環(huán)設(shè)計(jì),電路較簡單,用ADI公司的PLL仿真軟件對該工程進(jìn)行仿真,采用三階無源低通濾波器,環(huán)路帶寬設(shè)計(jì)為20kHz。

調(diào)試過程中,在RS公司FSU8頻譜分析儀上輸出的頻譜如圖2所示。從圖上可以看到在載波頻率的2端有對稱的2個小峰,頻偏在140kHz左右。通過分析知道,整機(jī)的電源單元全部采用開關(guān)電源設(shè)計(jì),開關(guān)頻率大概在140kHz左右,由于饋入PLL充電泵的電源隔離濾波不夠,導(dǎo)致雜散的產(chǎn)生。雖然在電源濾波上采取了進(jìn)一步的措施,但效果不明顯。后來在充電泵的輸入端增加了一個高性能線性穩(wěn)壓芯片,對輸入電源進(jìn)行二次穩(wěn)壓,達(dá)到了隔離開關(guān)噪聲的效果。重新測試輸出信號頻譜,雜散消失,信號頻譜如圖3所示。

圖2 有雜散的輸出信號頻譜圖

圖3 無雜散的輸出信號頻譜

4 結(jié)束語

通過上述對PLL頻率合成器雜散的分析,使大家對PLL頻率合成器雜散特性有了更為深刻的認(rèn)識,也懂得了在PLL的工程設(shè)計(jì)中如何提高其性能及遇到上述問題該如何處理。工程上對于各種雜散電平大小的預(yù)測很難,必須對它們進(jìn)行細(xì)致地分析,確認(rèn)所屬的雜散類型,并采取對應(yīng)的解決方法,達(dá)到改善雜散性能的目的。應(yīng)該說,本文對于正在進(jìn)行PLL設(shè)計(jì)的射頻工程師來說是一個很好的參考。

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