基于PLL技術(shù)的電源管理設(shè)計(jì)

　　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。電荷泵通常可在最多低于其電源電壓（VP）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(jiàn)電路筆記CN-0174,5,處理高壓的方式請(qǐng)參見(jiàn)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。

　　電荷泵的低功耗使其看似頗具吸引力，可使用升壓轉(zhuǎn)換器從較低的電源電壓產(chǎn)生高電荷泵電壓，然而與此類DC-DC轉(zhuǎn)換器相關(guān)的開(kāi)關(guān)頻率紋波可能在VCO的輸出端產(chǎn)生干擾雜散音。高PLL雜散可能造成發(fā)射機(jī)發(fā)射屏蔽測(cè)試失敗，或者降低接收機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的靈敏度和帶外阻塞性能。為幫助指導(dǎo)轉(zhuǎn)換器紋波的規(guī)格，使用圖6的測(cè)量設(shè)置針對(duì)各種PLL環(huán)路帶寬獲得全面電源抑制曲線圖與頻率的關(guān)系。

圖6.測(cè)量電荷泵電源抑制的設(shè)置

　　17.4 mV （–22 dBm）的紋波信號(hào)經(jīng)交流耦合至電源電壓，并在頻率范圍內(nèi)進(jìn)行掃描。在每一頻率下測(cè)量雜散水平，并根據(jù)–22dBm輸入與雜散輸出電平間的差異（以dB表示）計(jì)算PSR.留在適當(dāng)位置的0.1 μF和1 nF電荷泵電源去耦電容為耦合信號(hào)提供一定衰減，因此發(fā)生器處的信號(hào)電平增加，直至在各頻率點(diǎn)下引腳上直接測(cè)得17.4 mV.結(jié)果如圖7所示。

　　在PLL環(huán)路帶寬內(nèi)，隨著頻率增加，電源抑制最初變差。隨著頻率接近PLL環(huán)路帶寬，紋波頻率以類似于基準(zhǔn)噪聲的方式衰減，PSR改善。該曲線圖顯示，需要具有較高開(kāi)關(guān)頻率（理想情況下大于1 MHz）的升壓轉(zhuǎn)換器，以便盡可能降低開(kāi)關(guān)雜散。另外，PLL環(huán)路帶寬應(yīng)盡可能降至最低。

　　1.3 MHz時(shí)， ADP1613就是一款合適的升壓轉(zhuǎn)換器。如果將PLL環(huán)路帶寬設(shè)置為10 kHz,PSR可能達(dá)到大約90 dB;環(huán)路帶寬為80 kHz時(shí)，PSR為50 dB.首先解決PLL雜散水平要求后，可以回頭決定升壓轉(zhuǎn)換器輸出所需的紋波電平。例如，如果PLL需要小于–80 dBm的雜散，且PSR為50 dB,則電荷泵電源輸入端的紋波功率需小–30 dBm,即20 mV p-p.如果在電荷泵電源引腳附近放置足夠的去耦電容，上述水平的紋波電壓可使用紋波濾波器輕松實(shí)現(xiàn)。例如，100 nF去耦電容在1.3MHz時(shí)可提供20 dB以上的紋波衰減。應(yīng)小心使用具有適當(dāng)電壓額定值的電容；例如，如果升壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生18 V電源，應(yīng)使用具有20V或更高額定值的電容。

圖7.ADF4150HF電荷泵電源抑制曲線圖

　　使用基于Excel的設(shè)計(jì)工具ADP161x.可以簡(jiǎn)化升壓轉(zhuǎn)換器和紋波濾波器的設(shè)計(jì)。圖8顯示用于5 V輸入至20 V輸出設(shè)計(jì)的用戶輸入。為將轉(zhuǎn)換器級(jí)輸出端的電壓紋波降至最低，該設(shè)計(jì)選擇噪聲濾波器選項(xiàng)，并將VOUT紋波場(chǎng)設(shè)定為最小值。高壓電荷泵的功耗為2 mA（最大值），因此OUT 為10 mA以提供裕量。該設(shè)計(jì)使用20 kHz的PLL環(huán)路帶寬，通過(guò)ADF4150HV評(píng)估板進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)圖7,可能獲得約70dB的PSR.由于PSR極佳，此設(shè)置未在VCO輸出端呈現(xiàn)明顯的開(kāi)關(guān)雜散（ –110 dBm），即使是在省去噪聲濾波器時(shí)。

圖8.ADP1613升壓轉(zhuǎn)換器EXCEL設(shè)計(jì)工具

　　作為最終實(shí)驗(yàn)，將高壓電荷泵的PSR與有源濾波器（目前用于產(chǎn)生高VCO調(diào)諧電壓的最常見(jiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)）進(jìn)行比較。為執(zhí)行測(cè)量，使用無(wú)源環(huán)路濾波器將幅度為1 V p-p的交流信號(hào)注入ADF4150HV的電荷泵電源（VP）與圖6的測(cè)量設(shè)置相同。后以有源濾波器代替相等帶寬的無(wú)源濾波器，重復(fù)相同的測(cè)量。所用的有源濾波器為CPA_PPFFBP1型，如ADIsimPLL所述（圖9）。

圖9.ADlsimPLL中CPA_PPFFBP1濾波器設(shè)計(jì)的屏幕視圖

　　為提供公平的比較，電荷泵和運(yùn)算放大器電源引腳上的去耦相同，即10 μF、10 nF和10 pF電容并聯(lián)。測(cè)量結(jié)果顯示于圖10中：與有源濾波器相比，高壓電荷泵的開(kāi)關(guān)雜散水平降低了40 dB至45 dB.利用高壓電荷泵改善的雜散水平部分可解釋為通過(guò)有源濾波器看到的環(huán)路濾波器衰減更小，其中注入的紋波在第一極點(diǎn)之后，而在無(wú)源濾波器中注入的紋波位于輸入端

圖10.有源環(huán)路濾波器與高壓無(wú)源濾波器的電源紋波電平

　　最后一點(diǎn)：圖1所示的第三電源電軌（分壓器電源，AVDD/DVDD-與VCO和電荷泵電源相比具有較寬松的電源要求，因?yàn)镻LL（AVDD）的RF部分通常是具有穩(wěn)定帶隙參考偏置電壓的雙極性ECL邏輯級(jí)，所以相對(duì)不受電源影響。另外，數(shù)字CMOS模塊本質(zhì)上對(duì)電源噪聲具有更強(qiáng)的抵抗力。因此，建議選擇（DVDD）能夠滿足此電軌電壓和電流要求的中等性能LDO,并在所有電源引腳附近充分去耦；通常100 nF和10 pF并聯(lián)就夠了。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　以上已討論主要PLL模塊的電源管理要求，并針對(duì)VCO和電荷泵電源推算出規(guī)格。ADI公司為電源管理和PLL IC提供多種設(shè)計(jì)支持工具，包括參考電路和解決方案，還有各種仿真工具，如ADIsimPLL和 ADIsimPower. 了解電源噪聲和紋波對(duì)PLL性能的影響后，設(shè)計(jì)人員可以回頭推算電源管理模塊的規(guī)格，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)性能最佳的PLL設(shè)計(jì)。