CN0290 扩展高性能锁相环的低频范围

CN0290 本电路使用 EVAL-CN0290-SDPZ 电路板和 EVAL-SDP-CS1Z 系统演示平台(SDP-S)评估板。这两片板具有120引脚的对接连接器，可以快速完成设置并评估电路性能。EVALCN0290-SDPZ板含有本笔记中描述的电路。SDP-S评估板与整数N评估软件配合使用，用于对芯片寄存器上的ADF4106编程。 设备要求 带USB端口和Windows® XP、Windows Vista®(32位)或Windows® 7(32位)PC EVAL-CN0290-SDPZ电路评估板 EVAL-SDP-CS1Z SDP评估板 整数N v7或以上评估软件 电源：+5.5 V RF信号源(R&S SMA100或同等元件) 频谱分析仪(Agilent FSUP或同等设备) 带SMA连接器的同轴RF电缆 开始使用 有关软件安装和测试设置，请参考UG-582用户指南。设计支持包含有原理图、布局文件和物料清单(www.analog.com/CN0290-DesignSupport)。有关更多详 情，请参阅ADF4106、ADCLK905和ADCLK925数据手册。 功能框图 功能框图和简化原理图，请分别参阅本电路笔记的图1和图2。测试设置的框图如图6所示。 设置与测试 设置设备后，使用标准RF测试方法测量电路的相位噪声和相位抖动。 单电源PECL/LVPECL比较器(如 ADCMP553)可以用于要求REFIN工作于压摆率低于10 V/μsec的信号下的应用。ADCMP553采用一个类似于ADCLK905/ADCLK925的输出级来驱动REFIN/RFIN输入，但比较器的输入必须以一个50 Ω源阻抗驱动，其共模电压应支持所要求的信号摆幅。 诸如ADCMP600高速CMOS比较器一类的其他缓冲器可以用来提高REFIN电路的压摆率，但必须评估其在目标应用中的附加的抖动。 增加的所有元件都会带来一定量的附加的噪声，结果可能导致带内相位噪声和相位噪声抖动性能下降。对于某些应用来说，这可能是可以接受的，在这些应用中，相位噪声性能的下降仍然处于可接受范围之内。 ADCLK9xx系列时钟缓冲器拥有超低的附加的抖动性能，但低压摆率信号输入会使该额定性能下降。须查阅ADCLK9xx数据手册，以评估性能下降幅度。 EVAL-CN0290-SDPZ电路板的照片如图5所示。   图5. EVAL-CN0290-SDPZ板的照片(连接至EVAL-SDP-CS1Z板)   图6. 相位噪声和相位抖动测试测量设置   ADF4106频率合成器可以用来在RF接收器、发射器、信号分析仪、数据生成器或者任何要求本振功能的RF应用的上变频和下变频部分实现本振功能。当频率合成器与一个外部环路滤波器和电压控制振荡器(VCO)一起使用时，则可以实现完整的锁相环(PLL)。 ADF4106是一款整数-N PLL，其中，通道步长为整数N。该器件的RF频率输出范围最高为6 GHz，简单易用，额定相位噪声低，一般为−223 dBc/Hz(归一化相位噪底)。图1所示为低噪声单频时钟应用中采用ADF4106的完整锁相环的功能框图，图2为其简化原理图。 图2. 针对ADF4106的参考频率和RF频率输入提供时钟缓冲的低相位噪声锁相环简化原理图   低噪声10 MHz参考源由 ADCLK905 缓冲，并交流耦合至ADF4106 PLL的 REFIN。VCO是一款低噪声、100 MHz正弦波 VCXO，其输出交流耦合至 ADCLK925的50 Ω输入负载。该VCXO与ADCLK925之间的接口非常简单，因为两个器件在负载和信号电平要求方面都是匹配的。ADCLK925 1:2缓冲器输出级同时向PLL提供RFOUT信号和所需RF反馈信号。 ADF4106 PLL以专用的3.3 V ADP150 低噪声LDO供电，两个时钟缓冲器(ADCLK905、ADCLK925)则由第二ADP150供电。ADP150的输出电压噪声仅为9 μV rms，可同时为PLL和时钟缓冲器提供低相位噪声保障。 低噪声VCXO由 ADP7102 低噪声5 V线性稳压器供电，以减少VCO推压的影响(等效于电源抑制)。 参考输入时钟缓冲器 PLL的 REFIN 和 RFIN 输入级的时钟缓冲器需要具备低附加的抖动，在工作频率下需要具有充足的压摆率，还需要有足够的信号摆幅以达到ADF4106的要求。 ADCLK905/ADCLK925是超快ECL时钟/数据缓冲器，专为尽可能降低宽输入压摆率范围下的附加随机抖动而设计。它们采用全摆幅ECL发射极耦合逻辑输出驱动器，传播延迟为95 ps，随机抖动为60 fs。这些器件的上升/下降时间(20%至80%)为60 ps(典型值)，相当于约8000 V/μs的压摆率。 ADCLK905用于缓冲10 MHz REFIN频率源。许多应用通常采用10 MHz的参考频率。根据可用的信号摆幅，压摆率可能达不到ADF4106的50 V/μsec(最小值)压摆率要求。例如，10 MHz 0 dBm正弦波的压摆率只有20 V/μs。 选择ADCLK905作为 REFIN 时钟缓冲器，以提高10 MHz频率源的压摆率。ADCLK905的低附加的抖动确保REFIN时钟缓冲器带来的任何附加的抖动都是最小的。PLL带宽范围内的参考噪声不衰减，从而使参考噪声保持于低位，这是选择组件时的一个主要因素。ADCLK905的附加的抖动较低，为60 fs，这使其成为必然选择。在50 Ω环境中，输入和输出的匹配对性能有着重要的影响。ADCLK905的输入缓冲器同时为两个D输入提供内部50 Ω端接电阻。这两个50 Ω电阻之间的中心抽头 VT从外部连接至互补D输入和 VREF引脚。 这些引脚通过一个陶瓷电容去耦。 ADCLK905的PECL输出级从各端将800 mV直接驱动至端接于 VCC − 2 V的50 Ω负载。端接通过每个ADCLK905输出端的一个电阻端接实现。对于VCC=3.3 V，建议使用150 Ω的接地电阻。 输出设计用于驱动传输线路，每个输出引脚的负载阻抗应相匹配。ADCLK905 Q输出在交流耦合至ADF4106 REFIN的高阻抗输入之前，交流耦合至50 Ω负载。未使用的互补性Q输出应通过类似负载端接。 R输入时钟缓冲器 ADCLK925用于缓冲来自低噪声VCXO的100 MHz RFIN。RFIN要求的最小压摆率为320 V/μsec。ADCLK925提供 RFIN 输入端所需压摆率。ADCLK925的低附加的抖动对PLL相位噪声性能的影响很小。ADCLK925的1:2输出级简化了PLL的反馈，无需使用分频器和匹配元件。 PECL输出级从各端将800 mV直接驱动至端接于 VCC − 2V的50 Ω负载。通过一个150 Ω接地电阻，无需使用额外的电源，即可实现这一目标，如图2所示。ADF4106的 RFIN 输入级的额定最大信号电平为±600 mV。30 Ω的串联电阻将ADCLK925的输出摆幅降至该值以下。ADCLK925输出端交流耦合至ADF4106的50 Ω差分输入端。ADCLK925的第二输出端以类似方式端接，提供RFOUT信号。 PLL设计与性能 ADIsimPLL™软件用于设计PLL的环路滤波器，使用的是要求的低频率值，即10 MHz REFIN和100 MHz RFIN。该环路滤波器的带宽为818 Hz，相位裕量为45°。 图3所示为ADIsimPLL仿真相位噪声，表明ADF4106 PLL环路在低频下锁定，增量相位噪声很小。 PLL系统的实际测得相位噪声如图4所示。 图3. 来自ADIsimPLL的仿真相位噪声图   图4. 采用Agilent FSSUP频谱分析仪测得的相位噪声图   用于生成环路滤波器元件的ADIsimPLL软件也可用来模拟电路性能。ADIsimPLL假定，REFIN 和 RFIN输入提供充足的信号压摆率和信号摆幅。ADIsimPLL允许模拟ADF4106PLL所使用的参考源，对于本设置来说，即是R&S SMA100信号发生器。 模拟单端10 MHz、0 dBm参考输入信号的相位噪声时，使用的是10 Hz和1 MHz的失调值下的测得值。利用Agilent FSUP频谱分析仪来测量这些失调值下的参考相位噪声。 为了在ADIsimPLL中模拟VCO性能，需要将ADCLK925数据手册和CVSS-945 VCXO (Crystek Crystals, 12730 Commonwealth Drive, Fort Myers, Florida 33913)的相位噪声数据结合起来，如表1所示。 表 1. 合并相位噪声 相位噪声失调 ADCLK925 (dBc/Hz) VCXO(dBc/Hz) 合计(dBc/Hz) 10HZ -140 -86 -86 1MHZ -158 -172 -157 ADCLK925数据手册中10 Hz失调下的相位噪声值为−140 dBc，其对合并1/f相位噪声的影响可以忽略不计。10 Hz失调下的合并1/f相位噪声为−86dBc/Hz。 1 MHz失调下的合并相位噪声为−157 dBc/Hz。 在数据手册中，ADCLK925在1 MHz失调下的相位噪声为–161 dBc/Hz。这是以差分方式测量所得结果，因此，在使用单端输出时，需要对数据手册中的测得噪底调整3 dB。VCXO的相位噪声为−172 dBc/Hz，其对合并相位噪声的贡献几乎可以忽略不计。 测得结果与仿真结果比较 表2所示为相位噪声和相位抖动的仿真结果和测得结果。相位噪声在失调值100 Hz、2 kHz和100 kHz测得。相位抖动为100 Hz至30 MHz的积分结果。在本次仿真中，ADIsimPLL程序使用的是面向参考源和VCO的点噪底模型。结果，ADIsimPLL中的模型非常接近1/f噪声和噪底，但在中间失调值下，它们可能与载波相差几dB。 表2. ADF4106 PLL系统的仿真和测得相位噪声及相位抖动 参数 仿真 测得 PN Offset of 100Hz dBc/Hz -113 dBc/Hz -114 dBc/Hz PN Offset of 2 kHz dBc/Hz -126 dBc/Hz -122 dBc/Hz PN Offset of 100 kHz dBc/Hz -156 dBc/Hz -156 dBc/Hz Phase Jitter(100Hz to 30MHz) 208fs 276fs CN0290 扩展高性能锁相环的低频范围 CN0290 | circuit note and reference circuit info 扩展高性能锁相环的低频范围 | Analog Devices 图1所示电路是一种高性能锁相环(PLL)，它利用高速时钟缓冲器和低噪声LDO来维持低相位噪声，即使在低参考频率和RF频率下也可如此。 图1. EVAL-CN0290-SDPZ的功能框图(简化原理图：未显示所有连接和去耦)   例如，多种ADI PLL(如ADF4106) 的最小参考频率和RF输入频率的额定值都分别为20 MHz和500 MHz。使用图1所示额外时钟缓冲器，可以将频率范围降至10 MHz的参考频率和100 MHz的RF输入频率。 CN0290 The circuit shown in Figure 1 is a high performance phase locked loop (PLL) that uses high speed clock buffers and low noise LDOs to maintain low

• 带扩展低频范围的锁相环
• LO低至10MHz,RF低至100MHz
• 低失真、低相位噪声

(analog)