双环路时钟发生器可清除抖动并提供多个高频输出

geren2014

随着数据转换器的速度和分辨率不断提升，对具有更低相位噪 声的更高频率采样时钟源的需求也在不断增长。时钟输入面临 的积分相位噪声（抖动）是设计师在设计蜂窝基站、军用雷达 系统和要求高速和高性能时钟信号的其他设计时面临的众多 性能瓶颈之一。普通系统有多个低频噪声信号，PLL 可将其上 变频至更高频率，以便为这些器件提供时钟。单个高频 PLL 可以解决频率转换问题，但很难设计出环路带宽足够低，从而 能够滤除高噪声参考影响的PLL。搭载低频高性能VCO/VCXO 和低环路带宽的 PLL 可以清除高噪声参考，但无法提供高频 输出。高速和噪声过滤可以通过结合两个 PLL 同时实现：先 是一个低频窄环路带宽器件（用于清除抖动），其后是一个环 路带宽较宽的高频器件。

有些现代双环路模拟 PLL 集成于单个芯片之上，允许设计师 减少低频参考抖动，同时还能提供高频、低相位噪声输出。这 就节省了宝贵的 PCB 电路板面积，而且允许要求不同频率的 多个器件以同一相位对齐源为时钟源。

AD9523, AD9523-1和 AD9524 时钟发生器（如图 1 所示）由 两个串联模拟PLL构成。第一个PLL (PLL1)清除参考抖动， 第二个PLL (PLL2)生成高频相位对齐输出。 PLL2 也可生成高 基频，再以此为基础衍生出各种低频。PLL1 使用一个外部低 频VCXO和一个部分嵌入式三阶环路滤波器来构成一个PLL， 其环路带宽范围为 30 Hz至 100 Hz。该环路的带宽直接影响 将传播至输出的参考输入相位噪声量。 PLL2 使用一个内部高 速VCO（中心频率为 3.8 GHz，AD9523-1 为 3 GHz）和一个 部分嵌入式三阶环路滤波器，其额定环路带宽约为 500 kHz。 该内部VCO的带宽和相位噪声会直接影响整体输出的宽带相 位噪声。

图 1 AD9523-1 的功能框图

许多工程师把双环路 PLL 当作频率转换器，可减少固定量的 参考输入抖动，但更加准确的做法是将其视为低相位噪声频率 转换器，其性能受到各个 PLL 的环路带宽以及 VCO/VCXO 的 相位噪声曲线的影响。

ADIsimCLK™ 仿真工具为确定参考相位噪声对双环路PLL输出 相位噪声的影响提供了一种简便的方法。本例使用ADIsimCLK 来模拟高噪声参考对AD9523-1 整体相位噪声的影响。图 2 所 示为一个仿真 122.88 MHz参考输入的典型相位噪声曲线。

图 2 122.88 MHz 时的参考相位噪声曲线

PLL1 依赖高性能 VCXO 和低环路带宽来衰减参考相位噪声， 从而允许 VCXO 的相位噪声占据主导地位。本例采用一个 Crystek CVHD-950 VCXO来生成与参考输入相同的输出频率。 这幅图直接比较了 PLL1 输出端出现的参考相位噪声量。图 3 对 Crystek CVHD-950 VCXO 的相位噪声曲线与参考输入相位 噪声进行了比较。

图 3 122.88 MHz 时的 Crystek CVHD-950 相位噪声曲线

图 4 和表 1 所示为 ADIsimCLK 配置参数，这些参数用来仿真 针对图 3 所示参考输入和 PLL1 VCXO 相位噪声曲线， AD9523-1 的 PLL1 输出相位噪声响应情况。表 2 所示为 ADIsimCLK 在这些设置下生成的 PLL1 环路滤波器值。

图 4 ADIsimCLK v1.5 中的 AD9523-1 配置

表 1 PLL1配置参数

可变	值
VCXO工作频率	122.88 MHz
参考频率	122.88 MHz
输出频率	122.88 MHz
R分频器	2
N分频器	2
电荷泵电流	6 µA
Crystek CVHD-950的 KVCO	3.07 kHz/V
所需环路带宽	30 Hz
所需相位裕量	75°

表 2 ADIsimCLK产生的 PLL1环路滤波器元件值

可变	值
CPOLE1	1.5 nF
RZERO	10 kΩ
CEXT	4.7 µF
RPOLE2	165 kΩ
CPOLE2	337 pF

图5展示的是通过ADIsimCLK生成的PLL1在122.88 MHz条 件下的仿真输出（实线），以及高噪声 122.88 MHz 参考频率 的原始相位噪声曲线（虚线）。请注意，PLL1 的输出相位噪 声远远低于原始参考输入相位噪声。PLL1 的环路带宽会显著 衰减参考频率的相位噪声，使 VCXO 的低相位噪声曲线可以 在 30 Hz 环路滤波器截止频率之后占据主导地位。如果参考相 位噪声在全部偏移频率上都在增加，则输出相位噪声将只会随 PLL1 环路带宽而增加。

图 5 采用高抖动参考频率的 PLL1 输出相位噪声

图 6 和图 7 展示的是 AD9523-1 PLL1 输出，其相位噪声比 图 2 中的高噪声参考频率分别高出 6 dB 和 12 dB。 在频偏约 20 kHz 以外，PLL1 的输出相位噪声由其环路设置和 VCXO 的性能所主导。因此，由于积分范围始于 20 kHz 失调，抖 动性能只会略微变化，尽管参考输入相位噪声会增加 12 dB。 这是在设计时使 PLL1 具备低环路带宽并使用低相位噪声 VCXO 带来的直接结果。必须使用具有低 KVCO 的低频、高 性能 VCXO 来形成足够低的 PLL1 环路带宽，以便实现抖动 的清除。

图 6 采用各种参考频率的 PLL1 输出相位噪声

图 7 采用各种参考频率的 PLL1 输出相位噪声（放大图）

PLL1 的低相位噪声输出充当 PLL2 的参考频率，以形成相位 对齐、频率更高的输出。

PLL2含有一个内部VCO （其中心频率为3 GHz）， 最高支持1 GHz 的输出频率。为了比较高噪声输入参考频率和AD9523系列器件 的整体相位噪声，需要在 122.88 MHz 下考察所得到的相位噪声 （FVCO 除以 24）。注意，PLL2 的输出一般用于频率转换或高频 输出。表 3 所示为输入 ADIsimCLK 的 PLL2 配置参数。表 4 所 示为ADIsimCLK在这些设置下生成的PLL2环路滤波器值。

表 3 PLL2配置参数

可变	值
VCO工作频率	2949.12 MHz
来自PLL1 的参考频率	122.88 MHz
倍频器使能？	Yes
输出频率	122.88 MHz
R 分频器	1
N 分频器	12
M1 分频器	3
输出分频器	8
电荷泵电流	417 µA
所需环路带宽	450 Hz
所需相位裕量	70°

表 4 来自 ADIsimCLK的 PLL2环路滤波器元件值

可变	值
CPOLE1	16 pF
RZERO	1.85 kΩ
CEXT	1.2 nF
RPOLE2	900 Ω
CPOLE2	16 pF

图 8 和图 9 对各参考输入相位噪声与通过 ADIsimCLK 仿真得 到的 AD9523-1 输出相位噪声结果进行了比较。请注意 10 kHz 和 1 MHz 之间增加的相位噪声基底。这是因为 PLL2 的内部 VCO 相位噪声的关系。

图 8 采用各种参考频率的 PLL2 输出相位噪声

图 9 采用各种参考频率的 PLL2 输出相位噪声（放大图）

PLL2 中的内部 VCO 相位噪声在大约频偏为 5 kHz 之后足够 高，会开始主导器件的总输出相位噪声。在频偏 5 kHz 区域之 后，增加的参考相位噪声对输出相位噪声的影响很小。

结论

PLL1 的抖动清除功能可以防止多数参考输入相位噪声到达 PLL2。高噪声参考输入确实会影响近载波相位噪声（频偏 10kHz 以下），但器件的总输出抖动是由器件的性能而非参考频率的性能所主导的。对于积分抖动计算值处于 12 kHz 至 20 MHz 之间的情况，输出抖动很可能相同，不受输入抖动的影 响。真正的性能指标不是声称双环路模拟 PLL 可以衰减多少 抖动，而是它会产生多少抖动。