基于PLL技术的电源管理设计

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摘要

锁相环（PLL）是现代通信系统的基本构建模块PLLs通常用在无线电接收机或发射机中，主要提供本振（LO）功能；也可用于时钟信号分配和降噪，而且越来越多地用作高采样速率模数或数模转换的时钟源。由于每一代PLL的噪声性能都在改善，因此电源噪声的影响变得越来越明显，某些情况下甚至可限制噪声性能。

本文讨论图1所示的基本PLL方案，并考察每个构建模块的电源管理要求。

图1.显示各种电源管理要求的基本锁相环

PLL中，反馈控制环路驱动电压控制振荡器（VCO），使振荡器频率（或相位）精确跟踪所施加基准频率的倍数。许多优秀的参考文献（例如Best的锁相环1），解释了PLL的数学分析；ADI的ADIsimPLL?等仿真工具则对了解环路传递函数和计算很有帮助。下面让我们依次考察一下PLL构建模块。

VCO和VCO推压

电压控制振荡器将来自鉴相器的误差电压转换成输出频率。器件增益定义为KVCO,通常以MHz/V表示。电压控制可变电容二极管（变容二极管）常用于调节VCO内的频率。VCO的增益通常足以提供充分的频率覆盖范围，但仍不足以降低相位噪声，因为任何变容二极管噪声都会被放大KVCO倍，进而增加输出相位噪声。

多频段集成VCO的出现，例如用于频率合成器ADF4350的集成VCO,可避免在KVCO与频率覆盖范围间进行取舍，使PLL设计人员可以使用包含数个中等增益VCO的IC以及智能频段切换程序，根据已编程的输出频率选择适当的频段。这种频段分割提供了宽广的总体范围和较低噪声。

除了需要从输入电压变化转换至输出频率变化（KVCO）外，电源波动也会给输出频率变化带来干扰成分。VCO对电源波动的灵敏度定义为VCO 推压（Kpushing），通常是所需KVCO.的一小部分。例如，Kpushing通常是KVCO的5%至20%.因此，对于高增益VCO,推压效应增大，VCO电源的噪声贡献就更加举足轻重。

VCO推压的测量方法如下：向VTUNE引脚施加直流调谐电压，改变电源电压并测量频率变化。推压系数是频率变化与电压变化之比，如表1所示，使用的是ADF4350 PLL.

表1. ADF4350 VCO推压测

参考文献2中提到了另一种方法：将低频方波直流耦合至电源内，同时观察VCO频谱任一侧上的频移键控（FSK）调制峰值（图2）。峰值间频率偏差除以方波幅度，便得出VCO推压系数。该测量方法比静态直流测试更精确，因为消除了与直流输入电压变化相关的任何热效应。图2显示ADF4350 VCO输出在3.3 GHz、对标称3.3 V电源施加10 kHz、0.6 V p-p方波时的频谱分析仪曲线图。对于1.62 MHz/0.6 V或2.7 MHz/V的推压系数，最终偏差为3326.51 MHz – 3324.89 MHz = 1.62 MHz.该结果可与表1中的静态测量 2.3 MHz/V比较。

图2.ADF4350 VCO通过10kHz、0.6v p-p方波响应电源调制的频谱分析仪曲线图

在PLL系统中，较高的VCO推压意味着VCO电源噪声的增加倍数更大。为尽可能降低对VCO相位噪声的影响，需要低噪声电源。

参考文献3和参考文献4提供了不同低压差调节器（LDO）如何影响PLL相位噪声的示例。例如，文献中对ADP3334和ADP150 LDO为ADF4350供电时的性能进行了比较。ADP3334调节器的集成均方根噪声为27 μV（40多年来，从10 Hz至100 kHz）。该结果可与ADF4350评估板上使用的LDO ADP150的9 μV比较。图3中可以看出已测量PLL相位噪声频谱密度的差异。测量使用4.4 GHz VCO频率进行，其中VCO推压为最大值（表1），因此属于最差情况结果。ADP150调节器噪声足够低，因此对 VCO噪声的贡献可以忽略不计，使用两节（假定无噪声）AA电池重复测量可确认这一点。