机载低相位噪声X波段频率合成器的研究

但在无用的3.4GHz频率上该杂散的功率非常低。倍频器输出端所需信号为二次谐波，所有其它谐波都是无用的，必须通过BPF（8）进行抑制。在4.5GHz频率上合成器输出杂散功率为-64dBc。BPF（8）对三次谐波的抑制大概为48dB，滤波器（12）提供一个20dB的额外抑制。PLL充电泵杂散是由充电泵不均衡以及输出端DC电流引起。充电泵输出端的总泄漏电流IL可假定为所有源的泄露总和。充电泵电流波形I（t）是幅度为、循环频率为FPD的周期短时脉冲序列。对该信号进行复立叶变换，并根据FM理论，可以得到一次杂散的相对值为：

其中为频率处的环路滤波器阻抗。

首先计算3.4GHz固定PLL的最大杂散值。该PLL参数为：=100MHz，

=，，N=34，，。环路滤波器元件参数为：=692pF，=5.49nF，=289。环路滤波器阻抗值=2.3。VCO（18）调谐端口的泄漏电流最大值为10。式27给出了该杂散最大值：=-99dBc。这个值是可以接受的，但需要额外加一个截止频率为3.0MHz的RC低通滤波器以抑制来自参考源的100MHz电磁干扰（EMI）。额外增加的RC电路组成一个三级无源环路滤波器，应尽可能地靠近VCO（18）调谐管脚。它对参考源频率产生额外的30dB衰减。合成器输出一次杂散为-123dBc，在实际中不可测量。

在1.05-1.25GHz可调PLL中，VCO（1）调谐端的泄漏电流也为10，但鉴相器频率为10MHz。与滤波器（21）相同的环路滤波器仅能将杂散抑制到-51dBc（一次输出杂散）。对充电泵采用最终频率为3.2MHz的有源350kHz三次环路滤波器抑制其杂散。其原理图如图12。其中运算放大器（op-amp）采用Analog Devices公司的低噪声OP184FS。有源滤波器的主要优点是把泄漏电流减小至0.6。它将一次输出杂散衰减至-72dBc。测量出的杂散为-70dBc。

图12 有源350kHz三阶环路滤波器原理图

对来自供电单元的杂散抑制

获得高功效对机载设备尤为重要。合成器所有组件所需电压为+3.0或+5.0V，但电源电压为+12V。DC-DC降压器可以解决这个问题，但其第四个杂散源和额外的相位噪声，同时占用了通常为190的狭小空间的一部分。因此需要对DC-DC降压器的电磁噪声进行高强度抑制^4，5。噪声有两种传播路径-导线传播和降压器电感的磁场传播。采用小空隙的自屏蔽电感磁芯可以对后一条传播路径进行抑制。导线传播有两种模式-共模和差模。对共模传播的噪声，可以把PCB上的降压器悬置（减小与地面间的寄生电容），并在它的输入输出端接共模扼流来进行抑制。差模波纹和噪声采用LC-LPF和Analog Devices公司的调压器ADP3301抑制。在260kHz降压器转换频率处PLL不工作，VCO（1）近似运行在自激励状态下。有人发现了来自电源波纹的260kHz杂散。VCO输出端的正弦调频（FM）杂散功率由下式给出^4，5：

其中：

U­_m=峰值调制电压

F_mod=260kHz

K_p=214MHz/V为推频灵敏度

DC-DC降压器有一个20mV的峰值输出波纹，LC-LPF对波纹的抑制为34dB，ADP3301对波纹的抑制为35dB。那么，U_m=7V、L_VCO（1）=-74dBc，合成器输出杂散功率比之前高6dB：-68dBc

波纹通过充电泵供电线路传入VCO调谐端口。充电泵的电源供应抑制率（PSRR）可能大于20dB，但是其调谐灵敏度K_VCO=2110MHz/V比推频灵敏度大18dB。因此，调谐端波纹产生的260kHz杂散水平小于-70dBc。波纹进入VCO调谐端另一条路径为运算放大器（26）的供电线。但由于OP184的电源供应抑制率（PSRR）在100-300kHz波段内大约为30dB，因此从这条路径传输的输出杂散为-80dBc。这些杂散合并后得到总的输出杂散水平为-63dBc。在合成器输出端降压器杂散测量值大约为-65dBc。

实际应用结构中的宽频带噪声

为了设计最优PLL，它的带宽必须尽可能地设置在自激励VCO相位噪声与芯片相位噪声相同的那个点上。然而在实际应用中，必须考虑供电电源和环路滤波器元件产生的噪声。必须得到VCO（1）运行在自激励状态下时，其供电线上电压噪声产生的200kHz频偏相位噪声。VCO输出端相位噪声为：

调压器ADP3301在f_OS=200kHz处输出噪声电压密度U_NS=40nV/。那么其供电PN为-114dBc/Hz。必须得到VCO（1）调谐端200kHz，U_fn下总噪声电压密度。这种噪声由七个相互独立的噪声源源产生-电阻R₁至R₄所产生噪声、运算放大器等效输入噪声电压和电流。第七个为调压器产生的噪声，它通过充电泵后，最小衰减20dB，通过运算放大器后衰减30dB。

经过均方根合并后，VCO（1）调谐端200kHz频偏总噪声电压密度可得：U_fn=7.8nV/。由式29可得VCO输出相位噪声

PN tune = 20log（K_VCOU_fn/（2f_OS））=-110.3dBc/Hz

在"纯净的"供电电源和"纯净的"调谐电压下，VCO(1)在200kHz频偏处有L_VCO=-111dBc/Hz。因此，在实际应用结构中，VCO（1）在200kHz频偏处的总相位噪声为：