一款用于RF系統(tǒng)的堅(jiān)固型10MHz基準(zhǔn)時(shí)鐘輸入保護(hù)電路和分配器

引言

要為RF系統(tǒng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)輸入電路證明是棘手的事情。難題之一是在滿足時(shí)鐘的保護(hù)、緩沖及分配要求的同時(shí)也要保持輸入時(shí)鐘的相位噪聲性能。本文將說明怎樣設(shè)計(jì)一款10MHz基準(zhǔn)輸入電路并優(yōu)化其性能。

設(shè)計(jì)要求

RF儀器和無線收發(fā)器常常具有一個(gè)用于外部基準(zhǔn)時(shí)鐘的輸入，例如：RF儀器上廣泛使用的10MHz基準(zhǔn)輸入端口。許多同類系統(tǒng)都包括一種裝置以用于在整個(gè)系統(tǒng)中分配基準(zhǔn)時(shí)鐘。圖1示出了一款常用方案，其中由基準(zhǔn)時(shí)鐘向兩個(gè)不同的鎖相環(huán)(PLL)提供基準(zhǔn)輸入。

圖1：用于RF系統(tǒng)的常用基準(zhǔn)輸入和基準(zhǔn)分配方框圖。

設(shè)計(jì)精良的堅(jiān)固型輸入可接受寬幅度范圍的正弦波和方波信號(hào)。即使在輸入多變的情況下，其也可保持向系統(tǒng)內(nèi)部的目標(biāo)PLL輸入提供恒定的信號(hào)電平驅(qū)動(dòng)。完全暴露的基準(zhǔn)輸入端口應(yīng)當(dāng)具備過壓/過功率保護(hù)功能。最重要的是：對(duì)于不可避免的時(shí)鐘信號(hào)相位噪聲性能下降，應(yīng)最大限度地加以抑制。

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案

LTC6957是一款非常低附加噪聲(或抖動(dòng))的雙輸出時(shí)鐘緩沖器和邏輯轉(zhuǎn)換器。LTC6957的輸入可接受寬幅度范圍的正弦波或方波信號(hào)，并以恒定的幅度驅(qū)動(dòng)負(fù)載。

LTC6957提供了各種不同的輸出邏輯信號(hào)選項(xiàng)：PECL、LVDS和CMOS(同相及互補(bǔ)型)，從而使其能驅(qū)動(dòng)多種負(fù)載。圖2示出了一款采用LTC6957-3的10MHz基準(zhǔn)輸入電路，其可產(chǎn)生兩個(gè)同相CMOS輸出。

圖2：采用LTC6957-3并具前端保護(hù)功能的10MHz基準(zhǔn)輸入電路，圖中示出了測(cè)試信號(hào)和相位噪聲測(cè)量設(shè)置。

圖2中所示的變壓器起多項(xiàng)作用。首先，它與位于其后的肖特基二極管共同提供了輸入過功率/過壓保護(hù)。這些二極管可限制LTC6957-3所承受的AC電壓。WBC16-1T能夠處理高達(dá)0.25W的功率(給50Ω負(fù)載輸送3.5VRMS)。

該變壓器還負(fù)責(zé)將連接器的地(其通常連接至RF系統(tǒng)的底板)與系統(tǒng)的內(nèi)部模擬地隔離開來。

另外，該變壓器還給輸入信號(hào)施加了一個(gè)電壓增益，因而使LTC6957-3接收的脈沖信號(hào)邊沿變得陡峭。這有助于減少AM至PM噪聲轉(zhuǎn)換，反過來又抑制了相位噪聲性能的下降，特別是在采用小輸入信號(hào)時(shí)。WBC16-1T具有一個(gè)數(shù)值為4的電壓增益?？梢砸蕾囎儔浩鞯碾妷涸鲆?等于4)，而不是其數(shù)值為1的最大和理想功率增益，因?yàn)長(zhǎng)TC6957-3給變壓器提供了一個(gè)高阻抗負(fù)載。[!--empirenews.page--]

可對(duì)R1和R2進(jìn)行組合式調(diào)節(jié)以使輸入端口與50Ω相匹配。對(duì)于小的輸入信號(hào)，二極管關(guān)斷而變壓器承受一個(gè)804Ω的負(fù)載(圖2)。由于變壓器的主端至副端阻抗比為16，因此該負(fù)載以大約50Ω反射至輸入端。對(duì)于較大的輸入信號(hào)，肖特基二極管接通，從而把604Ω的電阻減小至接近短路。這將使基準(zhǔn)輸入回程損耗性能下降，此問題可通過調(diào)整R1和R2的阻值來消除，但其間需要進(jìn)行權(quán)衡取舍。

對(duì)于大的輸入信號(hào)，通過增加R1的阻值及減小R2的阻值(以使其組合串聯(lián)電阻保持在大約800Ω)可改善輸入回程損耗。然而，由于R1與信號(hào)呈串聯(lián)，故其將增加信號(hào)的噪聲。較大的R1與較小的R2相組合，將使信號(hào)較少部分出現(xiàn)在LTC6957-3的輸入端，從而進(jìn)一步降低了相位噪聲性能。換句話說，設(shè)計(jì)人員可通過選擇R1和R2的阻值以對(duì)相位噪聲性能和輸入回程損耗做出權(quán)衡。圖2中給出的參數(shù)值在這兩項(xiàng)性能指標(biāo)之間實(shí)現(xiàn)了總體的平衡。

在圖2中，把連接器與變壓器分離開來的AC耦合電容器負(fù)責(zé)提供針對(duì)DC源的輸入保護(hù)。

LTC6957-3具有可通過FILTA和FILTB引腳進(jìn)行選擇的內(nèi)部低通濾波器。該選項(xiàng)戰(zhàn)略性地限制了LTC6957-3的首個(gè)放大器級(jí)帶寬，因而也限制了電路的附加相位噪聲，特別是當(dāng)輸入信號(hào)如下文所述那么微弱時(shí)。

性能

如圖2所示，一個(gè)10MHz OCXO通過一個(gè)步進(jìn)衰減器連接至電路的輸入。基準(zhǔn)輸入信號(hào)在–10dBm和10dBm之間變化，同時(shí)采用Agilent E5052A信號(hào)源分析儀來測(cè)量不同輸入濾波器設(shè)置下LTC6957-3輸出端上的相位噪聲層。圖3示出了LTC6957-3的10MHzCMOS時(shí)鐘輸出在100kHz頻率偏移情況下測(cè)量的相位噪聲層。

圖3：LTC6957-3輸出端上的100kHz偏移相位噪聲層與10MHz基準(zhǔn)輸入功率級(jí)別之間的關(guān)系曲線(針對(duì)不同的LTC6957濾波器設(shè)置)。

如果外部施加的10MHz基準(zhǔn)信號(hào)幅度未知，則把FILTA拉至低電平而將FILTB拉至高電平可產(chǎn)生上佳的總體相位噪聲性能，如圖3所示。不過，假如測(cè)量了輸入端上的施加信號(hào)電平并運(yùn)用適當(dāng)?shù)臑V波器設(shè)置，那么性能可以得到優(yōu)化。

當(dāng)饋入50Ω負(fù)載的基準(zhǔn)輸入功率為0dBm時(shí)，圖2中選擇的R1和R2阻值將產(chǎn)生–9dB的輸入回程損耗。輸入功率較低時(shí)，回程損耗性能較好;在輸入功率較高時(shí)則較差。

結(jié)論

基于LTC6957-3可設(shè)計(jì)一款堅(jiān)固、高性能的10MHz基準(zhǔn)輸入電路。其特點(diǎn)包括寬泛的輸入信號(hào)類型和電平兼容性、保護(hù)以及具有限的相位噪聲性能下降之時(shí)鐘分配。對(duì)該電路的相位噪聲和輸入回程損耗進(jìn)行了評(píng)估和優(yōu)化。LTC6957-3簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過程并實(shí)現(xiàn)了卓越的整體性能。