IC时钟分配系统中的PLL

相位噪声源：

振荡器的单边带相位噪声主要特性通常如图5所示，该相位噪声(单位：dBc/Hz)在对数尺度上被绘制成偏移频率f0的函数。

实际曲线近似由一系列区间构成，每一区间的斜率为1/fx，其中X=0表示白相位噪声区间，即此时曲线斜率为0dB/decade。当X=1时，相位噪声区间则称为闪烁相位噪声，其斜率为-20dB/decade。依此类推，其它区间则对应更大的X值。X值越大的区间与载波频率越接近。

图6所示为PLL时钟发生器中相位噪声的曲线图。需要注意的是，本图与前述图5中所示的各噪声区间大致对应。

无论振荡器的输出信号如何优秀，总会掺杂各类不必要的噪声信号，其中一部分为杂散输出频率和谐波。此类噪声信号的振幅及相位可能具有随机性或确定性。下文我们将会深入分析部分不必要噪声信号的主要来源。

振荡器的噪声性能在时域上表现为抖动，在频域上则为相位噪声。优先考虑时域抑或频域，则须视不同应用而定。射频(RF)通信会优先考虑相位噪声，而在数字系统中则优先考虑为抖动;因此射频工程师会更倾向于解决相位噪声问题，而数字工程师则更愿意了解抖动。不过需要再次注意的是：相位噪声和抖动是振荡器中两个关联的量，且通常振荡器中的相位噪声增加时，抖动同样会增加。阐明上述关系的最佳方法便是检查理想信号并进行破坏，直至该信号与振荡器的实际输出相近为止。主要噪声源如下：

热噪声：

两个物体间若存在温差，便会产生能量交换，直至达到热平衡为止。热噪声(kTB)是由于电子或者系统的有源或无源组件(诸如电阻器、电容器、传感器及电化电池等)中的其它电荷载流子在热激励作用下进行布朗运动时产生的。由于热噪声与温度和带宽成正比，故温度和带宽上升时，热噪声也随之上升。热噪声大小的计算公式如下：

式中：nrms = 均方根噪声，

Df = 频率带宽(Hz)，

K = 玻耳兹曼常数(1.38 x 10-23 J/K)，

T = 开尔文温度，

R = 电阻元件的电阻值(单位：Ω)。

降低热噪声可通过压缩带宽、减小电阻或降低仪表组件温度等方式实现。热噪声大小与频率值基本相同。

散粒噪声：

在正向偏置PN结中，电荷载流子需要一定的能量才能穿过能量位垒。散粒噪声主要表现为穿过PN结势垒的不连续电流，该电流可在电荷载流子穿过PN结时出现。

式中：irms = 均方根电流波动，

I = 平均直流，

e = 电子电荷，即1.60 x 10-19 C，

Df = 频率带宽

散粒噪声可通过减少带宽的方式降低。

所有电子组件，尤其是放大器和逻辑器件，均会生成由散粒噪声和热噪声所形成的复合噪声，此类噪声在二极管和晶体管中十分常见。如前文所述，散粒噪声是电荷随机跃迁穿过PN结内的势垒时所产生的。换而言之，热噪声不受电流的影响，而是由MOSFET栅极及通道电阻内载流子的热运动所产生。热噪声功率与电阻和温度成正比。由于现代化组件的工作带宽均在GHz范围内，故散粒噪声及热噪声对时序抖动的影响非常显著。

闪烁噪声：

闪烁噪声用1/f表示，该噪声在偏移角频率fc处拦截热噪声底限，其频谱与1/f相关。所有有源设备以及碳质电阻器等部分无源组件中均可发现该噪声。闪烁噪声的特点是，其大小与所观察到的信号频率成反比。闪烁噪声是通过其频率依赖性得到识别的，但其成因尚未明确。频率小于100Hz时，闪烁噪声将变得突出。使用绕线或金属薄膜电阻器替代更加常见的碳质电阻器，便可大幅降低闪烁噪声。

白噪声：

噪声的功率谱表明了任何给定频率下噪声功率的集中度。许多噪声源均为“白色”，即其功率谱具有平坦性，即便在极高频率时也是如此。换而言之，白色噪声为常量值，与频率无关。恒定带宽的信号功率不会随频率变化而变化。绘制其与频率关系图便可发现，白色噪声为图5中水平线所示的恒定值。

PLL内的相位噪声

PLL属于振荡器类别之一，而在任何振荡器设计中，频率稳定性至关重要。高性能时钟分配系统中，由于相位噪声直接影响系统整体性能，故成为关键的考虑因素。其噪声既可由各独立模块固有噪声源产生，也可因电源噪声及衬底噪声等外部噪声源与各模块耦合后而产生。事实上，PLL内所有模块均会或多或少地产生输出相位噪声。

研究总体相位噪声的模块前，让我们再次回顾一下PLL的方框图，如图7所示。

基准和VCO噪声：

PLL有两大噪声源，即对PLL整体相位噪声产生影响的基准振荡器和VCO(电压控制振荡器)。基准噪声源包括时序源噪声、PCB噪声耦合噪声及电源噪声，VCO噪声源则包括环路滤波器组件、VCO放大器噪声和电源噪声。

理想的VCO不会产生相位噪声，且从频域角度观察时呈单一谱线，但现实情况并非如此，因为VCO的输出