雙環(huán)路時(shí)鐘發(fā)生器可清除抖動(dòng)并提供多個(gè)高頻輸出

隨著數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的速度和分辨率不斷提升，對(duì)具有更低相位噪聲的更高頻率采樣時(shí)鐘源的需求也在不斷增長(zhǎng)。時(shí)鐘輸入面臨的積分相位噪聲(抖動(dòng))是設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)蜂窩基站、軍用雷達(dá)系統(tǒng)和要求高速和高性能時(shí)鐘信號(hào)的其他設(shè)計(jì)時(shí)面臨的眾多性能瓶頸之一。普通系統(tǒng)有多個(gè)低頻噪聲信號(hào)，PLL可將其上 變頻至更高頻率，以便為這些器件提供時(shí)鐘。單個(gè)高頻PLL可以解決頻率轉(zhuǎn)換問(wèn)題，但很難設(shè)計(jì)出環(huán)路帶寬足夠低，從而能夠?yàn)V除高噪聲參考影響的PLL。搭載低頻高性能VCO/VCXO和低環(huán)路帶寬的PLL可以清除高噪聲參考，但無(wú)法提供高頻輸出。高速和噪聲過(guò)濾可以通過(guò)結(jié)合兩個(gè)PLL同時(shí)實(shí)現(xiàn)：先是一個(gè)低頻窄環(huán)路帶寬器件(用于清除抖動(dòng))，其后是一個(gè)環(huán)路帶寬較寬的高頻器件。

有些現(xiàn)代雙環(huán)路模擬PLL集成于單個(gè)芯片之上，允許設(shè)計(jì)師減少低頻參考抖動(dòng)，同時(shí)還能提供高頻、低相位噪聲輸出。這就節(jié)省了寶貴的PCB電路板面積，而且允許要求不同頻率的多個(gè)器件以同一相位對(duì)齊源為時(shí)鐘源。

AD9523、AD9523-1和AD95244時(shí)鐘發(fā)生器(如圖1所示)由兩個(gè)串聯(lián)模擬PLL構(gòu)成。第一個(gè)PLL (PLL1)清除參考抖動(dòng)， 第二個(gè)PLL (PLL2)生成高頻相位對(duì)齊輸出。PLL2也可生成高基頻，再以此為基礎(chǔ)衍生出各種低頻。PLL1使用一個(gè)外部低 頻VCXO和一個(gè)部分嵌入式三階環(huán)路濾波器來(lái)構(gòu)成一個(gè)PLL， 其環(huán)路帶寬范圍為30 Hz至100 Hz。該環(huán)路的帶寬直接影響 將傳播至輸出的參考輸入相位噪聲量。 PLL2使用一個(gè)內(nèi)部高速VCO(中心頻率為3.8 GHz，AD9523-1 為3 GHz)和一個(gè)部分嵌入式三階環(huán)路濾波器，其額定環(huán)路帶寬約為500 kHz。 該內(nèi)部VCO的帶寬和相位噪聲會(huì)直接影響整體輸出的寬帶相 位噪聲。

圖1：AD9523-1的功能框圖

許多工程師把雙環(huán)路PLL當(dāng)作頻率轉(zhuǎn)換器，可減少固定量的參考輸入抖動(dòng)，但更加準(zhǔn)確的做法是將其視為低相位噪聲頻率轉(zhuǎn)換器，其性能受到各個(gè)PLL的環(huán)路帶寬以及VCO/VCXO的相位噪聲曲線的影響。

ADIsimCLK仿真工具為確定參考相位噪聲對(duì)雙環(huán)路PLL輸出 相位噪聲的影響提供了一種簡(jiǎn)便的方法。本例使用ADIsimCLK來(lái)模擬高噪聲參考對(duì)AD9523-1整體相位噪聲的影響。圖2所示為一個(gè)仿真122.88 MHz參考輸入的典型相位噪聲曲線。

圖2：122.88 MHz時(shí)的參考相位噪聲曲線

PLL1依賴高性能VCXO和低環(huán)路帶寬來(lái)衰減參考相位噪聲， 從而允許VCXO的相位噪聲占據(jù)主導(dǎo)地位。本例采用一個(gè)Crystek CVHD-950 VCXO來(lái)生成與參考輸入相同的輸出頻率。 這幅圖直接比較了PLL1 輸出端出現(xiàn)的參考相位噪聲量。圖3對(duì)Crystek CVHD-950 VCXO的相位噪聲曲線與參考輸入相位噪聲進(jìn)行了比較。

圖3：122.88 MHz時(shí)的Crystek CVHD-950相位噪聲曲線

圖4和表1所示為ADIsimCLK配置參數(shù)，這些參數(shù)用來(lái)仿真針對(duì)圖3所示參考輸入和PLL1 VCXO相位噪聲曲線， AD9523-1的PLL1輸出相位噪聲響應(yīng)情況。表2所示為ADIsimCLK在這些設(shè)置下生成的PLL1環(huán)路濾波器值。

圖4：ADIsimCLK v1.5中的AD9523-1配置

表1：PLL1配置參數(shù)

表2：ADIsimCLK產(chǎn)生的 PLL1環(huán)路濾波器元件值

圖5展示的是通過(guò)ADIsimCLK生成的PLL1在122.88 MHz條 件下的仿真輸出(實(shí)線)，以及高噪聲 122.88 MHz參考頻率 的原始相位噪聲曲線(虛線)。請(qǐng)注意，PLL1的輸出相位噪 聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原始參考輸入相位噪聲。PLL1的環(huán)路帶寬會(huì)顯著 衰減參考頻率的相位噪聲，使VCXO的低相位噪聲曲線可以 在30 Hz環(huán)路濾波器截止頻率之后占據(jù)主導(dǎo)地位。如果參考相 位噪聲在全部偏移頻率上都在增加，則輸出相位噪聲將只會(huì)隨PLL1環(huán)路帶寬而增加。

圖5：采用高抖動(dòng)參考頻率的PLL1輸出相位噪聲

圖6和圖7展示的是AD9523-1 PLL1輸出，其相位噪聲比圖2中的高噪聲參考頻率分別高出6 dB和12 dB。 在頻偏約20 kHz以外，PLL1的輸出相位噪聲由其環(huán)路設(shè)置和VCXO的性能所主導(dǎo)。因此，由于積分范圍始于20 kHz失調(diào)，抖 動(dòng)性能只會(huì)略微變化，盡管參考輸入相位噪聲會(huì)增加12 dB。 這是在設(shè)計(jì)時(shí)使PLL1具備低環(huán)路帶寬并使用低相位噪聲VCXO帶來(lái)的直接結(jié)果。必須使用具有低KVCO的低頻、高性能VCXO來(lái)形成足夠低的PLL1環(huán)路帶寬，以便實(shí)現(xiàn)抖動(dòng)的清除。

圖6：采用各種參考頻率的PLL1輸出相位噪聲

圖7：采用各種參考頻率的PLL1輸出相位噪聲(放大圖)

PLL1的低相位噪聲輸出充當(dāng)PLL2的參考頻率，以形成相位 對(duì)齊、頻率更高的輸出。PLL2含有一個(gè)內(nèi)部VCO(其中心頻率為3 GHz)， 最高支持1 GHz的輸出頻率。為了比較高噪聲輸入?yún)⒖碱l率和AD9523系列器件 的整體相位噪聲，需要在122.88 MHz下考察所得到的相位噪聲(FVCO除以24)。注意，PLL2的輸出一般用于頻率轉(zhuǎn)換或高頻 輸出。表3所示為輸入ADIsimCLK的PLL2配置參數(shù)。表4所示為ADIsimCLK在這些設(shè)置下生成的PLL2環(huán)路濾波器值。

表3：PLL2配置參數(shù)

表4：來(lái)自ADIsimCLK的PLL2環(huán)路濾波器元件值

圖8和圖9對(duì)各參考輸入相位噪聲與通過(guò)ADIsimCLK仿真得到的AD9523-1輸出相位噪聲結(jié)果進(jìn)行了比較。請(qǐng)注意10 kHz和1 MHz之間增加的相位噪聲基底。這是因?yàn)镻LL2的內(nèi)部VCO相位噪聲的關(guān)系。

圖8：采用各種參考頻率的PLL2輸出相位噪聲

圖9：采用各種參考頻率的PLL2輸出相位噪聲(放大圖)

PLL2中的內(nèi)部VCO相位噪聲在大約頻偏為5 kHz之后足夠 高，會(huì)開(kāi)始主導(dǎo)器件的總輸出相位噪聲。在頻偏5 kHz區(qū)域之 后，增加的參考相位噪聲對(duì)輸出相位噪聲的影響很小。

結(jié)論

PLL1的抖動(dòng)清除功能可以防止多數(shù)參考輸入相位噪聲到達(dá)PLL2。高噪聲參考輸入確實(shí)會(huì)影響近載波相位噪聲(頻偏10kHz以下)，但器件的總輸出抖動(dòng)是由器件的性能而非參考頻率的性能所主導(dǎo)的。對(duì)于積分抖動(dòng)計(jì)算值處于12 kHz至20 MHz之間的情況，輸出抖動(dòng)很可能相同，不受輸入抖動(dòng)的影 響。真正的性能指標(biāo)不是聲稱雙環(huán)路模擬PLL可以衰減多少抖動(dòng)，而是它會(huì)產(chǎn)生多少抖動(dòng)。