评估低抖动PLL时钟发生器的电源噪声抑制性能

本文介绍了电源噪声对基于PLL的时钟发生器的干扰，并讨论了几种用于评估确定性抖动(DJ)的技术方案。推导出的关系式提供了利用频域杂散分量评估时钟抖动性能的方法。利用实验室测量结果对不同的测量技术进行比较，并阐述了如何可靠地评估参考时钟发生器的电源噪声抑制(PSNR)性能。


基于PLL的时钟发生器被广泛用于网络设备，用来产生高精度、低抖动参考时钟或保持网络同步工作。大多数时钟振荡器给出了在理想的、没有噪声的电源供电时所表现的抖动或相位噪声指标。而实际系统环境中，开关电源或嘈杂的数字ASIC会对电源产生干扰。为了达到系统设计的最佳性能，了解这类干扰的影响至关重要。

首先，我们需要先了解基于PLL的时钟发生器的电源噪声抑制(PSNR)特性。随后将解释如何从频域测量中提取时钟抖动信息。这些技术将随后用于实验室测量，并通过实验室测试结果比较几种不同的测量方法。最后，我们将归纳出首选方案的优点。

PLL时钟发生器的PSNR特性

典型的PLL时钟发生器如图1所示。由于不同类型的逻辑接口其输出驱动器的PSNR性能会有很大差异，下面的分析将主要集中在电源噪声对PLL本身的影响。


图1. PLL时钟发生器的典型拓扑

图2给出了PLL的相位模型。模型假设电源噪声VN注入到PLL/VCO，M和N分数比都设为1。


图2. PLL的相位模型

VN(s)至ΦO(s)的PLL闭环传输函数为：



对于典型的2阶PLL：





其中，ω3dB为PLL的3dB带宽，ωZ为PLL的零点频率，而ωZ ω3dB。

式3显示，当电源干扰(PSI)频率大于PLL的3dB带宽时，PLL时钟发生器的电源噪声以20dB/十倍频程衰减。对于介于ωZ和ω3dB之间的PSI频率，输出时钟相位随PSI的幅度变化关系式如下：



例如，图3给出了两种不同PLL 3dB带宽下PLL的PSNR特性。


图3. 典型的PLL PSNR特性

功率频谱杂散分量至DJ的转换

当单一频率的正弦信号fM叠加到PLL电源时，将在时钟输出产生一个窄带相位调制。通常可以用傅立叶级数表示相位调制：



其中β为调制系数，表示最大相位偏差。对于较小系数的调制(β 1)，贝塞尔函数可以近似表示为：



其中n = 0表示载波本身，当n = ±1时，相位调制信号为：



测量双边带功率频谱SV(f)时，如果变量x表示fO载波与fM基波边带频率的差，则：



由于β为最大相位偏离，单位为弧度，则由于较小的相位调制系数引起的DJ峰峰值可表示为：



上述分析假设fM频点不存在幅度调制。实际情况中，幅度和相位调制同时存在，因此降低了这种分析方法的准确度。

相位噪声频谱杂散分量至DJ的转换

测量功率频谱SV(f)时，有一种办法可以避免幅度调制的影响。在电源上叠加一个单一频率的正弦干扰信号，可以通过测量相位噪声频谱的杂散信号替代DJ的计算。以变量y (dBc)表示频偏fM处测量的单边带相位杂散功率，可以得到相位偏差ΔΦ(radRMS)为：







需要注意的是，上述分析中的单边带相位频谱并非双边带频谱的重叠。这是由于式10中的3dB分量，图4给出了DJ与式12给出的相位杂散功率的关系。


图4. DJ与相位杂散功率的关系

PSNR测量技术

这里给出了五种不同的测试时钟源PSNR的方法，以MAX3624低抖动时钟发生器为例。测量装置如图5所示，采用函数发生器向MAX3624评估(EV)板的电源注入一个正弦信号。单一频率干扰信号的幅度在靠近IC的VCC引脚处直接测量。限幅放大器MAX3272用于消除幅度调制；随后的非平衡变压器将差分输出转换成单端信号，用于驱动不同的测试设备。为了比较不同测试方法的结果，所有测试均在以下条件下进行：

1. 时钟输出频率：fO = 125MHz
2. 正弦调制频率：fM = 100kHz
3. 正弦信号幅度：80mVP-P

图5. PSNR测量装置

方法1. 功率频谱测量

观察功率频谱分析仪，可以看到窄带相位调制出现在载波附近的两个边带。图6给出在这种情况下采用Agilent? E5052频谱监视器观察到的结果。测量的第一个边带幅度与载波幅度之比为-53.1dBc，按照式9，转换为11.2psP-P的DJ。


图6. 测量的功率频谱

方法2. SSB相位杂散分量测量

在相位噪声分析仪上，PSI表现为相对于载波的相位杂散分量。所测量的相位噪声频谱如图7所示，100kHz处的相位杂散功率为-53.9dBc，按照式12，转换为10.2psP-P的DJ。


图7. 测量的SSB相位噪声和杂散分量

方法3. 相位解调测量

采用Agilent E5052信号分析仪，可以直接测量100kHz处的相位解调正弦信号，如图8所示，与理想位置的相位偏差最大。相位偏差的峰峰值为0.47°，在125MHz输出频率下转换为10.5psP-P的抖动。


图8. MAX3624相位解调信号

方法4. 实时示波器测量

在时域测量中，由PSI引起的DJ可通过测量时间间隔误差(TIE)直方图获得。示波器实时测量中，当单一频率干扰信号叠加