整数N分频和小数N分频PLL频率合成器的相位噪声

描述

作者:Kevin Scott and Michel Azarian

在产生高频、高线性度信号源时,低相位噪声至关重要。相位噪声是信号相位不希望的变化或变化的量度。它是在频域中测量的,相当于时域中的抖动。使用PLL频率合成器时,总相位噪声由各种电路模块和组件的汇编组成,每个模块和组件都对最终值有贡献。各种贡献元件/电路包括压控振荡器(VCO)、参考时钟和相关电路、鉴频检波器和各种内部缓冲器。

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相位噪声可以分为每个元件/电路的贡献部分,包括基准噪声、鉴频鉴相器噪声、VCO噪声和宽带噪声(由于放大器/缓冲器和其他内部电路),这些噪声是建立带外相位本底噪声的。

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在决定整数N分频与小数N分频PLL频率合成器时,必须考虑总相位噪声、成本、步长、PLL设计复杂性、杂散噪声(小数N分频中累加器或三角积分引起的小数杂散)、整数边界杂散(也是小数N分频效应)和参考杂散)和环路锁定时间的重要性。

小数N分频PLL的优势

与整数N分频PLL相比,小数N分频(压裂N)PLL频率合成器具有几个关键优势,但在某些情况下,这些优势对客户来说可能并不重要,具体取决于应用。它允许较大的参考频率值,从而产生较小的乘法器项N。由于PLL的相位噪声乘以所选的N值(f外= f裁判* N) 和 frac-N PLL 需要较小的 N 值,由于参考频率乘以 N 而导致的相位噪声增加将降低 20log(N) dB,但这被相位频率检测器噪声的增加部分抵消 - 10log(f聚苯乙烯) dB(为简单起见,我们假设参考分频器值 R 为 1,因此 f裁判= f聚苯乙烯;较大的整数值会导致更多的噪声)。另一个优点是步长更小或分辨率更高。压裂 N 允许步长为数十赫兹,而整数 N 可能导致数十千赫兹。与类似的整数 N 解相比,压裂 N 也会锁定得更快。这是因为较低的N值允许更宽的环路滤波器带宽,这反过来又允许更快的锁定时间。

压裂 N 型锁相环的缺点

压裂N型PLL的最大缺点是它产生的分数和整数边界杂散,从使用的角度来看,它增加了复杂性(必须设计环路滤波器),并且在某些情况下成本更高。这些是客户可能选择整数N分频PLL的原因。LTC的新型压裂N型PLL器件减轻了这些缺点。它们设计用于产生非常低的整数边界杂散,其小数分频器使用先进的四阶 ΔΣ 调制器,该调制器不会产生分馏化杂散。在复杂性方面,我们的FracNWizard软件具有先进的PLL设计和仿真功能,可简化环路设计工作。

检查数据表的差异

在查看整数N和压裂N数据手册时,人们可能会对某些相位噪声规格看起来相似这一事实感到困惑,即使压裂N应该具有较低的相位噪声。例如,查看LTC6947数据手册的首页,“特性”部分给出了三相噪声规格:归一化带内相位本底噪声、归一化1/f噪声和宽带带外相位本底噪声。每个值分别为 -226dBc/Hz、-274dBc/Hz 和 -157dBc/Hz。对于 LTC6945,这些数字为 -226dBc/Hz、-274dBc/Hz 和 -157dBc/Hz。

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关键是前两个规范已规范化。这意味着它们的计算不考虑完成设计所需的其他电路元件,这使得工程师可以进行并排比较。但是,这不会给出用户将获得的真实价值;相反,它是一个“品质因数”。当我们在实际应用中“非归一化”该值时,PLL N分频器值和参考时钟频率是最终值的因素。

规范化是 Frac-N 和整数 N 可以具有相似值的原因。在典型应用中使用时,Frac-N通常会产生低得多的带内相位噪声,因为它通常允许更高的参考频率(或PFD频率),并且如前所述,这会产生较小的N分压器(N)值,从而降低整体相位噪声。

例如,对于具有 100kHz 频率步长和 3GHz 输出的 LTC6945 整数 N 分频 PLL 频率合成器解决方案,PFD 设置为 100kHz。在使用 LTC6947 frac-N PLL 的同一示例中,可将 PFD 设置为更高的频率。让我们选择50MHz。这导致最大频率误差为 ~100Hz (50MHz/2^18)/2 – 除以 2^18 是因为 LTC6947 使用的 18 位三角积分调制器),或小 1000 倍的步进。

继续本示例,假设带内归一化相位噪声值相似,frac-N 3GHz 输出的带内相位噪声将比整数 N 输出的带内相位噪声低约 27dB(有关完整公式,请参见 LTC6947 数据手册图 11 的第 21 页)。虽然 LTC6947 压裂 N PLL 在压裂 N 模式下的归一化带内相位噪声差 1dB,但它提供的带内相位本底噪声比 LTC6945 整数 N 低 26dB。

最后需要注意的是,由于相位本底噪声不依赖于杂散分量,因此压裂N和整数N分相环具有相似的值。

凌力尔特提供整数 N (LTC6945 / LTC6946) 和 Frac-N (LTC6947 / LTC6948) PLL 频率合成器。两种类型均具有出色的相位噪声性能。如果需要更小的频率步长和最低的相位噪声,最好使用Frac-N。如果需要更低的成本和复杂性,请选择整数 N 分频 PLL。

审核编辑:郭婷

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