級(jí)聯(lián)PLL超低噪聲精密時(shí)鐘抖動(dòng)濾除技術(shù)研究

本文針對(duì)全方位的信號(hào)路徑系統(tǒng)中的高速全差分運(yùn)放及高頻寬14位模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的隨機(jī)及固定時(shí)鐘抖動(dòng)，具體分析、研究了超低噪聲兼時(shí)鐘抖動(dòng)濾除技術(shù)。研究選用雙級(jí)聯(lián)PLLatinum架構(gòu)，配置高性能壓控振蕩器(VCXO)，很好地實(shí)現(xiàn)了降噪和時(shí)鐘抖動(dòng)濾除的作用。

0 引言

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)傳輸在軍事航空、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)構(gòu)建、測(cè)試與測(cè)量中發(fā)揮了巨大的作用。而時(shí)鐘作為通信終端、發(fā)射與接收定量和同步標(biāo)準(zhǔn)，成為不可或缺的關(guān)鍵部分。信號(hào)傳輸過(guò)程中，晶振參考時(shí)鐘本身具有較低的抖動(dòng)，但由于IC、開(kāi)關(guān)電源噪聲、數(shù)據(jù)或時(shí)鐘線(xiàn)的干擾引起的隨機(jī)抖動(dòng)和周期抖動(dòng)(PJ)對(duì)時(shí)鐘質(zhì)量及系統(tǒng)性能都有比較大的影響。

典型的信號(hào)路徑設(shè)計(jì)由信號(hào)傳感器、模擬信號(hào)處理區(qū)塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、接口及數(shù)字處理區(qū)塊等多個(gè)不同環(huán)節(jié)組成，為了使系統(tǒng)充分發(fā)揮性能，路徑所采用的主要元件必須符合有關(guān)要求。以模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器為例，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師希望其信噪比(SNR)須不可低于60dB,因此14位的高頻寬、頻率要求高達(dá)1Gpsp的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器被得以使用。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和使用的過(guò)程中，使用數(shù)據(jù)信號(hào)和參考時(shí)鐘定位采樣是重要環(huán)節(jié)，高精密時(shí)鐘發(fā)生技術(shù)進(jìn)而成為亟待發(fā)展的技術(shù)之一。通常情況下，設(shè)計(jì)所使用的單鎖相環(huán)(PLL)式時(shí)鐘發(fā)生器在工作過(guò)程中，乘法器會(huì)放大時(shí)鐘抖動(dòng)，同時(shí)引入其自身抖動(dòng)，無(wú)法滿(mǎn)足均值抖動(dòng)指標(biāo)Jrms<1ps@(12KHz~20MHz)的要求。

為了實(shí)現(xiàn)超低噪聲精密時(shí)鐘的發(fā)生，筆者對(duì)級(jí)聯(lián)式PLL時(shí)鐘抖動(dòng)濾除技術(shù)做了研究和探討，并對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘抖動(dòng)做和具體分析。

1.雙級(jí)聯(lián)PLL降噪濾抖設(shè)計(jì)

當(dāng)輸入噪聲較大時(shí)，系統(tǒng)具有較窄的環(huán)路帶寬如幾十Hz到幾百Hz的情況下，借助本地高性能的壓控振蕩器，如VCXO、OCXO等，可以把參考時(shí)鐘輸入的噪聲濾除干凈，鎖相環(huán)輸出優(yōu)越于參考時(shí)鐘抖動(dòng)性能的時(shí)鐘信號(hào)。

如圖1所示，時(shí)鐘發(fā)生采用了級(jí)聯(lián)的雙重PLL架構(gòu)，以清除信號(hào)抖動(dòng)，圖中在VCO輸出之后，續(xù)接了一個(gè)時(shí)鐘分配電路。

第一個(gè)PLL采用了很窄的環(huán)路帶寬，以便讓外接的VCXO的頻率鎖定到輸入的參考時(shí)鐘信號(hào)上。極窄的環(huán)路帶寬可以抑制參考時(shí)鐘信號(hào)中的大部分相位噪聲，使得VCXO的相位噪聲成為主要的噪聲分量。頻率被鎖定后的VCXO作為基準(zhǔn)時(shí)鐘輸入第二個(gè)PLL,后者采用了較大的環(huán)路帶寬，以便實(shí)現(xiàn)內(nèi)置的VCO的鎖定。這一較大的環(huán)路帶寬意味著VCO的相位和頻率都鎖定到VCXO上，因此VCXO的噪聲成為主要分量。

對(duì)于高于環(huán)路帶寬的信號(hào)相位噪聲，內(nèi)部的VCO的相位噪聲和輸出分頻器與驅(qū)動(dòng)器將決定輸出信號(hào)的相位噪聲。

式(1)表明，總的噪聲是基準(zhǔn)時(shí)鐘噪聲、PLL噪聲和VCO噪聲的加權(quán)和：

加權(quán)函數(shù)H(f)是低通閉環(huán)傳遞函數(shù)，其中包含了電荷泵增益、環(huán)路濾波器響應(yīng)、VCO增益和反饋通路(N)計(jì)數(shù)器等參數(shù)。該式表示了圖1所示的每一級(jí)PLL的輸出端的噪聲模型?；鶞?zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)噪聲的增益(GREF)以及PLL噪聲的增益(GPLL)也是具體的環(huán)路參數(shù)的函數(shù)。這里我們并不對(duì)這些增益和閉環(huán)響應(yīng)H(f)的表達(dá)式進(jìn)行推導(dǎo)，作為結(jié)論討論。一般來(lái)說(shuō)，構(gòu)成H(f)的合成器件的諸多參數(shù)以及在式中所給出的增益值都可以由設(shè)計(jì)者來(lái)調(diào)整，其選擇的標(biāo)準(zhǔn)是讓合成器的輸出端的總噪聲(STOTAL(f))最小化。在這種情況下，最小化意味著合成后的總噪聲的最小化。當(dāng)對(duì)PLL2使用該噪聲方程時(shí)，SREF(f)代表VCXO的噪聲。SPLL(f)和SVCO(f)是由器件的特性所決定的，但SREF(f)取決于設(shè)計(jì)者所選用的VCXO.

2.技術(shù)分析與仿真

2.1 相噪分析

筆者的實(shí)驗(yàn)及仿真參數(shù)選取如下，PLL1:

125MHz的普通晶體參考輸入，R=120,N=120,100uA的電荷汞電流;PLL2:NBXHGA019 125MHz的參考晶振輸入，R=2,N=10,內(nèi)部VCO分頻設(shè)置為2,環(huán)路帶寬以366kHz,相位余量為85.5度的4階環(huán)路濾波，3.2mA的電荷汞電流;輸出方式為L(zhǎng)VPECL,同步輸出分頻選擇各有不同，在2~510之間做隨機(jī)選擇。

圖2是輸出時(shí)鐘頻率為312.5MHz的相位噪聲分析。相噪由參考輸入的V C X O噪聲、PLL開(kāi)閉環(huán)噪聲、內(nèi)部VCO噪聲共同決定。圖中表明，總的相噪在1.000kHz處的相位偏移為-113.09dB/Hz,100.000kHz處-128.46dB/Hz,10,000.000kHz處-155.22dB/Hz.

如圖3所示為輸出時(shí)鐘頻率分別為10.081MHz和1.358MHz時(shí)的時(shí)鐘相位噪聲分析圖，由三者比較可知，隨著輸出頻率的增加，相位噪聲逐漸減小，使傳輸過(guò)程中的信噪比降低至系統(tǒng)所需60dB以下，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需要。

2.2 RMS抖動(dòng)特性

均值(RMS)抖動(dòng)是表征時(shí)鐘抖動(dòng)的重要參數(shù)。如表1所示，為筆者在采樣點(diǎn)數(shù)為1001,最低1kHz和最高10MHz的抖動(dòng)探測(cè)中獲取的不同頻率輸出下的RMS抖動(dòng)情況。在PLL分頻系數(shù)不變的情況下，測(cè)量得到的RMS抖動(dòng)隨著頻率的增加逐漸減小，當(dāng)頻率為312.5MHz時(shí)，抖動(dòng)為168.4fs,而用與提供基準(zhǔn)的參考時(shí)鐘的0.5pf相比有了極大的提高與改進(jìn)。表2為不同分頻系數(shù)下輸出時(shí)鐘RMS抖動(dòng)情況，可以很明顯得看到抖動(dòng)隨系數(shù)的增加在呈現(xiàn)指數(shù)的增長(zhǎng)。

3.結(jié)論

由仿真和研究可知，雙級(jí)聯(lián)PLL架構(gòu)時(shí)鐘發(fā)生設(shè)計(jì)，在實(shí)現(xiàn)抖動(dòng)濾除低于300fs的同時(shí)，亦可實(shí)現(xiàn)多路頻率合成及極低相位噪聲(RMS抖動(dòng)低至1.8ps@10KHz~5MHz)。超低抖動(dòng)、低功耗的時(shí)鐘發(fā)生技術(shù)滿(mǎn)足了信號(hào)路徑設(shè)計(jì)的模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣及時(shí)鐘和信號(hào)保證條件，同時(shí)，此類(lèi)設(shè)計(jì)也可以被應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)基站、微波通信和100GE數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域等。