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    練就火眼金睛,教你揪出超低噪聲合成器設計中的相位噪聲源

    2019-02-14 17:31:36 來源:EEFOCUS
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    本文是五篇文章系列中的第二篇,第一篇《還在被三階/四階/運算放大器濾波器PLL這些概念困擾?這篇文章幫你搞懂它》,本篇重點介紹合成器芯片外部的相位噪聲源,比如壓控振蕩器(VCO)中通過供電線路和各種環路濾波器形式引入的噪聲。

     

    相位噪聲是通信系統中的干擾源,限制了通信系統的動態范圍。對于具有接近載波的調制項的系統,噪聲可能對“信道內”產生干擾,也可能對通常被稱為相鄰信道或備用信道的性能產生影響。

     

    由于通信系統通常需要在較大的鏈路損耗條件下工作,有時損耗會超過130 dB甚至150 dB,因此它們必須具有低本底噪聲,有時需要接近物理上可能的極限。電氣工程課程中的教授很少講述針對這種特殊噪聲的控制和設計,即便是在研究生階段也很少涉及。近年來,合成器的設計技術發生了巨大的變化,噪聲控制方案越來越多地基于對壓控振蕩器噪聲的環路帶寬抑制,使得片上壓控振蕩器即使噪聲很大,也能提供出色的性能。這種噪聲抑制對于使用最新的高頻、低噪聲晶體參考振蕩器的現代sigma-delta合成器IC實現的高環路帶寬尤為重要。

     

    本文是我們的低噪聲合成器設計系列文章中的第二篇。第一篇文章介紹了合成器功能和穩定性的基本設計思路,本文和即將發布的第三篇將擴展基本設計方案,專門用于實現最小相位噪聲。本文側重于對合成器IC之外的噪聲源的分析,比如壓控振蕩器和各種環路濾波器形式引入的噪聲。

     

    第三篇文章介紹整形及組合所有信號源的合成器IC噪聲和環路功能,揭示具有片上VCO的現代合成器IC如何提供具有競爭力、有時甚至會超過具有低噪聲VCO的合成器的性能。第四篇文章將介紹低噪聲合成器設計人員可用的器件和CAD工具,包括最新的可實現最低噪聲設計的合成器IC、晶體基準、運算放大器和VCO。 最后一篇文章將以低噪聲合成器示例的形式將這些材料結合在一起。

     

    相位噪聲的頻域定義
    我們可以將相位噪聲視為頻率域內頻率源(例如VCO)載波周圍的頻譜密度噪聲。相位噪聲的主要表現形式為壓縮振蕩器中的相位變化,它包括振蕩器本身的噪聲和對振蕩器進行控制和供電的部件的噪聲。相位噪聲通常以dBc/Hz為單位,它通常被劃分為若干具有確定斜率的分段(如圖1所示)。

     

    圖1:圖中,自由運行的VCO的相位噪聲和鎖相運行的VCO進行比較,顯示了環路帶寬內的噪聲抑制能力。在本文中,相位噪聲的dB值被表示為LdB(f) = 10log(L(f))。

     

    在圖1中,橫軸為對數軸,在低于fc的頻率范圍內,相位噪聲斜率為-30dB/dec,它的主要噪聲成分為閃爍噪聲,這主要是由放大器中圍繞載波混頻的基帶閃爍噪聲引起的。中間的-20dB/dec斜線段,主要反映了振蕩器環路中的Q值。-10dB/dec斜線段通常只在Q值非常高的振蕩器中出現。后面的斜率為0的直線主要反映了由有源設備的增益和噪聲系數引起的熱噪聲。

     

    在鎖相狀態下,環路帶寬以上的相位噪聲會向自由運行噪聲收斂。在環路帶寬以下,噪聲被反饋抑制,這種反饋機制努力將相位噪聲保持為與參考源的倍增相位噪聲相等,因為它的時鐘參考是Q值非常高的晶體振蕩器,所以這時的相位噪聲通常會低于自由運行時的噪聲。

     

     
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