IC時(shí)鐘分配系統(tǒng)中的PLL

相位噪聲源：

　　振蕩器的單邊帶相位噪聲主要特性通常如圖5所示，該相位噪聲(單位：dBc/Hz)在對(duì)數(shù)尺度上被繪制成偏移頻率f0的函數(shù)。

　　實(shí)際曲線近似由一系列區(qū)間構(gòu)成，每一區(qū)間的斜率為1/fx，其中X=0表示白相位噪聲區(qū)間，即此時(shí)曲線斜率為0dB/decade。當(dāng)X=1時(shí)，相位噪聲區(qū)間則稱為閃爍相位噪聲，其斜率為-20dB/decade。依此類推，其它區(qū)間則對(duì)應(yīng)更大的X值。X值越大的區(qū)間與載波頻率越接近。

　　圖6所示為PLL時(shí)鐘發(fā)生器中相位噪聲的曲線圖。需要注意的是，本圖與前述圖5中所示的各噪聲區(qū)間大致對(duì)應(yīng)。

　　無論振蕩器的輸出信號(hào)如何優(yōu)秀，總會(huì)摻雜各類不必要的噪聲信號(hào)，其中一部分為雜散輸出頻率和諧波。此類噪聲信號(hào)的振幅及相位可能具有隨機(jī)性或確定性。下文我們將會(huì)深入分析部分不必要噪聲信號(hào)的主要來源。

　　振蕩器的噪聲性能在時(shí)域上表現(xiàn)為抖動(dòng)，在頻域上則為相位噪聲。優(yōu)先考慮時(shí)域抑或頻域，則須視不同應(yīng)用而定。射頻(RF)通信會(huì)優(yōu)先考慮相位噪聲，而在數(shù)字系統(tǒng)中則優(yōu)先考慮為抖動(dòng);因此射頻工程師會(huì)更傾向于解決相位噪聲問題，而數(shù)字工程師則更愿意了解抖動(dòng)。不過需要再次注意的是：相位噪聲和抖動(dòng)是振蕩器中兩個(gè)關(guān)聯(lián)的量，且通常振蕩器中的相位噪聲增加時(shí)，抖動(dòng)同樣會(huì)增加。闡明上述關(guān)系的最佳方法便是檢查理想信號(hào)并進(jìn)行破壞，直至該信號(hào)與振蕩器的實(shí)際輸出相近為止。主要噪聲源如下：

熱噪聲：

　　兩個(gè)物體間若存在溫差，便會(huì)產(chǎn)生能量交換，直至達(dá)到熱平衡為止。熱噪聲(kTB)是由于電子或者系統(tǒng)的有源或無源組件(諸如電阻器、電容器、傳感器及電化電池等)中的其它電荷載流子在熱激勵(lì)作用下進(jìn)行布朗運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的。由于熱噪聲與溫度和帶寬成正比，故溫度和帶寬上升時(shí)，熱噪聲也隨之上升。熱噪聲大小的計(jì)算公式如下：

　　式中：nrms = 均方根噪聲，

　　Df = 頻率帶寬(Hz)，

　　K = 玻耳茲曼常數(shù)(1.38 x 10-23 J/K)，

　　T = 開爾文溫度，

　　R = 電阻元件的電阻值(單位：Ω)。

　　降低熱噪聲可通過壓縮帶寬、減小電阻或降低儀表組件溫度等方式實(shí)現(xiàn)。熱噪聲大小與頻率值基本相同。

散粒噪聲：

　　在正向偏置PN結(jié)中，電荷載流子需要一定的能量才能穿過能量位壘。散粒噪聲主要表現(xiàn)為穿過PN結(jié)勢(shì)壘的不連續(xù)電流，該電流可在電荷載流子穿過PN結(jié)時(shí)出現(xiàn)。

　　式中：irms = 均方根電流波動(dòng)，

　　I = 平均直流，

　　e = 電子電荷，即1.60 x 10-19 C，

　　Df = 頻率帶寬

　　散粒噪聲可通過減少帶寬的方式降低。

　　所有電子組件，尤其是放大器和邏輯器件，均會(huì)生成由散粒噪聲和熱噪聲所形成的復(fù)合噪聲，此類噪聲在二極管和晶體管中十分常見。如前文所述，散粒噪聲是電荷隨機(jī)躍遷穿過PN結(jié)內(nèi)的勢(shì)壘時(shí)所產(chǎn)生的。換而言之，熱噪聲不受電流的影響，而是由MOSFET柵極及通道電阻內(nèi)載流子的熱運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生。熱噪聲功率與電阻和溫度成正比。由于現(xiàn)代化組件的工作帶寬均在GHz范圍內(nèi)，故散粒噪聲及熱噪聲對(duì)時(shí)序抖動(dòng)的影響非常顯著。