用于高頻接收器和發(fā)射器的鎖相環(huán)-第二部分
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本系列文章的第一部分介紹了關于鎖相環(huán)
(PLL)的基本概念，說明了PLL架構和工作原理，同時以一個例子說明了PLL在通信系統(tǒng)中的用途。
在第二部分中，我們將側重于詳細考察與PLL相關的兩個關鍵技術規(guī)格：相位噪聲和參考雜散。導致相位噪聲和參考雜散的原因是什么，如何將其影響降至最低?討論將涉及測量技術以及這些誤差對系統(tǒng)性能的影響。我們還將考慮輸出漏電流，舉例說明其在開環(huán)調(diào)制方案中的重要意義。
振蕩器系統(tǒng)中的噪聲
在任何振蕩器設計中，頻率穩(wěn)定性都至關重要。我們需要考慮長期和短期穩(wěn)定性。長期頻率穩(wěn)定性是關于輸出信號在較長時間(幾小時、幾天或幾個月)內(nèi)的變化情況。其通常以一定時間內(nèi)的比率Δf/f來規(guī)定，單位為百分比或dB。
短期穩(wěn)定性則是關于幾秒或更短時間內(nèi)的變化情況。這些變化可能是隨機的，也可能是周期性的?？梢允褂妙l譜分析儀來檢查信號的短期穩(wěn)定性。圖1顯示了一種典型頻譜，其中隨機和離散頻率成分導致出現(xiàn)大范圍的波裙和雜散波峰。
圖1.振蕩器的短期穩(wěn)定性。
信號源中的已知時鐘頻率、電力線干擾和混頻器產(chǎn)品都可能引起離散雜散成分。隨機噪聲波動引起的擴張是相位噪聲造成的。其可能是有源和無源器件中的熱噪聲、散粒噪聲和/或閃爍噪聲造成的。
電壓控制振蕩器中的相位噪聲
在考察PLL系統(tǒng)中的相位噪聲之前，我們先看看電壓控制振蕩器(VCO)中的相位噪聲。理想的VCO應該沒有相位噪聲。在頻譜分析儀上看到的輸出應是一條譜線。當然，事實并非如此。輸出上會有抖動，頻譜分析儀會顯示出相位噪聲。為了便于理解相位噪聲，請考慮一種相量表示方式，如圖2所示。
圖2.相位噪聲的相量表示。
圖中所示信號的角速度為wO，峰值幅度為VSPK。疊加于其上的誤差信號的角速度為wm。Δqrms表示相位波動的均方根值，單位為rms度數(shù)。
在許多無線電系統(tǒng)中，必須符合總積分相位誤差規(guī)格的要求。該總相位誤差由PLL相位誤差、調(diào)制器相位誤差和基帶元件導致的相位誤差構成。例如，在GSM中，允許的總相位誤差為5度rms。
Leeson方程
Leeson(第6項參考文獻)提出了一項方程，用以描寫VCO中的不同噪聲組分。
(1)
其中：
LPM為單邊帶相位噪聲密度(dBc/Hz)
F為工作功率水平A(線性)下的器件噪聲系數(shù)
k為玻爾茲曼常數(shù)，1.38 × 10–23 J/K
T為溫度(K)
A為振蕩器輸出功率(W)
QL為加載的Q(無量綱)
fO為振蕩器載波頻率
fm為載波頻率失調(diào)
要使Leeson方程有效，以下條件必須成立：
? fm，載波頻率失調(diào)大于1/f閃爍角頻;
? 已知工作功率水平下的噪聲系數(shù);
? 器件運行呈線性特征;
? Q包括元件損耗、器件加載和緩沖器加載的影響;
? 振蕩器中只使用了一個諧振器。
圖3.VCO中的相位噪聲與頻率失調(diào)的關系。
Leeson方程只適用于斷點(f1)與從“1/f ”(更普遍的情況是1/fg)閃爍噪聲頻率到超過后放大白噪聲將占據(jù)主導的頻率點(f2)的躍遷之間的膝部區(qū)域。如圖3所示[g = 3]。f1應盡量低;一般地，它小于1 kHz，而f2則在幾MHz以內(nèi)。高性能振蕩器要求使用針對低1/f躍遷頻率而專門選擇的器件。有關如何盡量降低VCO中相位噪聲的一些指導方針如下：
1.使變?nèi)荻O管的電壓足夠高(一般在3至3.8 V)
2.在直流電壓電源上用濾波。
3.使電感Q盡量高。典型的現(xiàn)成線圈的Q在50至60之間。
4.選擇一個噪聲系數(shù)最小且閃爍頻率低的有源器件。閃爍噪聲可借助反饋元件降低。
5.多數(shù)有源器件都展現(xiàn)出較寬的U形噪聲系數(shù)與偏置電流之關系曲線。用該信息來為器件選擇最佳工作偏置電流。
6.使振蕩電路輸出端的平均功率最大化。
7.在對VCO進行緩沖時，要使用噪聲系數(shù)最低的器件。
閉環(huán)
前面，我們討論了自由運行VCO中的相位噪聲，考慮了降低該噪聲的方式，接下來，我們將考慮閉環(huán)(見本系列第一部分)對相位噪聲的影響。
圖4所示為PLL中的主要相位噪聲貢獻因素。系統(tǒng)傳遞函數(shù)可通過以下等式來描述：
Closed Loop Gain =
(2)
G =
(3)
(4)
Closed Loop Gain =
(5)
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