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 本文給出了一種簡單的模型，可用來在 PLL 系統(tǒng)中準確地預測由于充電泵和 / 或運算放大器泄漏電流引起的基準雜散噪聲的大小。知道如何預測這類噪聲有助于在 PLL 系統(tǒng)設(shè)計的早期明智地選擇環(huán)路參數(shù)。

PLL快速回顧

鎖相環(huán) (PLL) 是一種負反饋系統(tǒng)，將一個相位和頻率隨溫度和時間變化不夠穩(wěn)定之較高頻電路 (通常是一個壓控振蕩器 VCO) 的相位和頻率鎖定到一個比較穩(wěn)定和頻率較低的電路 (通常是一個溫度補償或恒溫晶體振蕩器，即 TCXO 或 OCXO) 上。 作為一個黑盒子，PLL 可以看作是一個頻率倍增器。

當需要高頻本機振蕩 (LO) 源時，會使用 PLL。應用實例有很多，包括無線通信、醫(yī)療設(shè)備和儀表。

圖 1 顯示了一個用來產(chǎn)生 LO 信號的 PLL 系統(tǒng)基本構(gòu)件。該 PLL 集成電路 (IC) 通常包含所有時鐘分頻器 (R 和 N)、相位 / 頻率檢測器 (PFD) 和充電泵 (用兩個電流源 ICP_UP 和 ICP_DN 表示)。

圖 1：PLL 基本構(gòu)件

VCO 輸出和基準時鐘 (圖中是 OCXO 輸出) 經(jīng)過各自的整數(shù)分頻器 (分別為 N 和 R) 分頻后，相互加以比較。PFD 構(gòu)件以 fPFD 速率控制充電泵，從或向環(huán)路濾波器吸收或提供電流脈沖，以調(diào)節(jié) VCO 微調(diào)端口 (V_Tune) 的電壓，直至兩個時鐘分頻器輸出的頻率和相位都相等為止。二者的頻率和相位相等時，就稱為 PLL 鎖定了。LO 頻率與基準頻率 fREF 的關(guān)系由以下等式確定：

在圖 1 中，因為反饋分頻器 (N 分頻器) 只能接受整數(shù)值，所以該 PLL 稱為整數(shù) N PLL。如果這個分頻器既可以接受整數(shù)值又可以接受非整數(shù)值，那么該環(huán)路就稱為分數(shù) N PLL。本文僅討論整數(shù) N PLL，分數(shù) N PLL 采用不同的工作機制。

整數(shù) N PLL 的非理想性

PLL IC 會給系統(tǒng)帶來非理想性，主要是相位噪聲和雜散。

相位噪聲

圖 1 所示 PLL 系統(tǒng)用作基準時鐘相位噪聲的低通濾波器和 VCO 相位噪聲的高通濾波器。低通和高通濾波器的截至頻率由該 PLL 的環(huán)路帶寬 (LBW) 決定。理想的情況是 ，LO 相位噪聲跟隨被轉(zhuǎn)換為 LO 頻率 (即：乘以 N/R) 的基準時鐘之相位噪聲一直到 LBW，并隨后跟隨 VCO 的相位噪聲。PLL IC 所產(chǎn)生的噪聲將使轉(zhuǎn)換區(qū)中的相位噪聲升高。

圖 2 是 PLLWizardTM 產(chǎn)生的相位噪聲曲線，PLLWizard 是凌力爾特公司免費提供的 PLL 設(shè)計和仿真工具。該圖顯示了由基準 (“Ref @ RF”) 和 VCO (“VCO @ RF”) 在輸出端導致的總輸出相位噪聲 (“Total”) 和單獨的噪聲。在紅色橢圓圈標出的區(qū)域，可以非常容易地看到該 IC 的噪聲。

圖 2：紅色橢圓圈標出的區(qū)域是 PLL IC 相位噪聲區(qū)

雜散噪聲

圖 1 所示電源 (V_OCXO、V_CP 和 V_VCO) 上任何不想要的信號都可能轉(zhuǎn)換成 LO 信號上的雜散噪聲。仔細設(shè)計這些電源可極大地降低甚至消除這些雜散。然而，與充電泵有關(guān)的雜散噪聲是不可避免的。但是，仔細設(shè)計 PLL 系統(tǒng)也可以降低這類噪聲。這類雜散噪聲常稱為基準雜散噪聲，但此處的基準并不意味著基準時鐘頻率，而是指的 fPFD。整數(shù) N PLL 產(chǎn)生的 LO 信號在 fPFD 及其諧波處有雙邊帶雜散噪聲。