用于高频接收器和发射器的锁相环-第二部分

作者：时间：2016-04-29来源：网络收藏

　　本系列文章的第一部分介绍了关于锁相环(PLL)的基本概念，说明了PLL架构和工作原理，同时以一个例子说明了PLL在通信系统中的用途。

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　　在第二部分中，我们将侧重于详细考察与PLL相关的两个关键技术规格：相位噪声和参考杂散。导致相位噪声和参考杂散的原因是什么，如何将其影响降至最低?讨论将涉及测量技术以及这些误差对系统性能的影响。我们还将考虑输出漏电流，举例说明其在开环调制方案中的重要意义。

　　振荡器系统中的噪声

　　在任何振荡器设计中，频率稳定性都至关重要。我们需要考虑长期和短期稳定性。长期频率稳定性是关于输出信号在较长时间(几小时、几天或几个月)内的变化情况。其通常以一定时间内的比率Δf/f来规定，单位为百分比或dB。

　　短期稳定性则是关于几秒或更短时间内的变化情况。这些变化可能是随机的，也可能是周期性的。可以使用频谱分析仪来检查信号的短期稳定性。图1显示了一种典型频谱，其中随机和离散频率成分导致出现大范围的波裙和杂散波峰。

　　图1.振荡器的短期稳定性。

　　信号源中的已知时钟频率、电力线干扰和混频器产品都可能引起离散杂散成分。随机噪声波动引起的扩张是相位噪声造成的。其可能是有源和无源器件中的热噪声、散粒噪声和/或闪烁噪声造成的。

　　电压控制振荡器中的相位噪声

　　在考察PLL系统中的相位噪声之前，我们先看看电压控制振荡器(VCO)中的相位噪声。理想的VCO应该没有相位噪声。在频谱分析仪上看到的输出应是一条谱线。当然，事实并非如此。输出上会有抖动，频谱分析仪会显示出相位噪声。为了便于理解相位噪声，请考虑一种相量表示方式，如图2所示。

　　图2.相位噪声的相量表示。

　　图中所示信号的角速度为wO，峰值幅度为VSPK。叠加于其上的误差信号的角速度为wm。Δqrms表示相位波动的均方根值，单位为rms度数。

　　在许多无线电系统中，必须符合总积分相位误差规格的要求。该总相位误差由PLL相位误差、调制器相位误差和基带元件导致的相位误差构成。例如，在GSM中，允许的总相位误差为5度rms。

　　Leeson方程

　　Leeson(第6项参考文献)提出了一项方程，用以描写VCO中的不同噪声组分。

(1)

　　其中：

　　LPM为单边带相位噪声密度(dBc/Hz)

　　F为工作功率水平A(线性)下的器件噪声系数

　　k为玻尔兹曼常数，1.38 × 10–23 J/K

　　T为温度(K)

　　A为振荡器输出功率(W)

　　QL为加载的Q(无量纲)

　　fO为振荡器载波频率

　　fm为载波频率失调

　　要使Leeson方程有效，以下条件必须成立：

　　• fm，载波频率失调大于1/f闪烁角频;

　　• 已知工作功率水平下的噪声系数;

　　• 器件运行呈线性特征;

　　• Q包括元件损耗、器件加载和缓冲器加载的影响;

　　• 振荡器中只使用了一个谐振器。

　　图3.VCO中的相位噪声与频率失调的关系。

　　Leeson方程只适用于断点(f1)与从“1/f ”(更普遍的情况是1/fg)闪烁噪声频率到超过后放大白噪声将占据主导的频率点(f2)的跃迁之间的膝部区域。如图3所示[g = 3]。f1应尽量低;一般地，它小于1 kHz，而f2则在几MHz以内。高性能振荡器要求使用针对低1/f跃迁频率而专门选择的器件。有关如何尽量降低VCO中相位噪声的一些指导方针如下：

　　1.使变容二极管的电压足够高(一般在3至3.8 V)

　　2.在直流电压电源上用滤波。

　　3.使电感Q尽量高。典型的现成线圈的Q在50至60之间。

　　4.选择一个噪声系数最小且闪烁频率低的有源器件。闪烁噪声可借助反馈元件降低。

　　5.多数有源器件都展现出较宽的U形噪声系数与偏置电流之关系曲线。用该信息来为器件选择最佳工作偏置电流。

　　6.使振荡电路输出端的平均功率最大化。

　　7.在对VCO进行缓冲时，要使用噪声系数最低的器件。

　　闭环

　　前面，我们讨论了自由运行VCO中的相位噪声，考虑了降低该噪声的方式，接下来，我们将考虑闭环(见本系列第一部分)对相位噪声的影响。