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    练就火眼金睛,教你揪出超低噪声合成器设计中的相位噪声源

    2019-02-14 17:31:36 来源:EEFOCUS
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    本文是五篇文章系列中的第二篇,第一篇《还在被三阶/四阶/运算放大器滤波器PLL这些概念困扰?这篇文章帮你搞懂它》,本篇重点介绍合成器芯片外部的相位噪声源,比如压控振荡器(VCO)中通过供电线路和各种环路滤波器形式引入的噪声。

     

    相位噪声是通信?#20302;?#20013;的干扰源,限制了通信?#20302;?#30340;动态范围。对于具有接近载波的调制项的?#20302;常?#22122;声可能对“信道内”产生干扰,?#37096;?#33021;对通常被称为相邻信道或备用信道的性能产生影响。

     

    由于通信?#20302;?#36890;常需要在较大的链路损耗条件下工作,有时损耗会超过130 dB甚至150 dB,因此它们必须具有低本底噪声,有时需要接近物理上可能的极限。电气工程课程中的教授很少?#24425;?#38024;对这种特殊噪声的控制和设计,即便是在?#33455;可?#38454;?#25105;?#24456;少涉及。近年来,合成器的设计技术发生了巨大的变化,噪声控?#21697;?#26696;越来越多地基于对压控振荡器噪声的环路带宽?#31181;疲?#20351;得片上压控振荡器?#35789;?#22122;声很大,也能提供出色的性能。这种噪声?#31181;?#23545;于使用最新的高频、低噪声晶体参考振荡器的现代sigma-delta合成器IC实现的高环路带宽尤为重要。

     

    本文是我们的低噪声合成器设计系列文章中的第二篇。第一篇文章介绍了合成器功能和稳定性的基本设计思路,本文和即将发布的第三篇将扩展基本设计方案,专门用于实现最小相位噪声。本文侧重于对合成器IC之外的噪声源的分析,比如压控振荡器和各种环路滤波器形式引入的噪声。

     

    第三篇文章介绍整形及组合所?#34892;?#21495;源的合成器IC噪声和环路功能,揭?#25578;?#26377;片上VCO的现代合成器IC如何提供具?#33455;?#20105;力、有时甚至会超过具有低噪声VCO的合成器的性能。第四篇文章将介绍低噪声合成器设计人员可用的器件和CAD工具,包括最新的可实现最低噪声设计的合成器IC、晶体基准、运算放大器和VCO。 最后一篇文章将以低噪声合成器示例的形式将这些材料结合在一起。

     

    相位噪声的频域定义
    我们可以将相位噪声视为频?#35270;?#20869;频率源(例如VCO)载波周围的频谱密度噪声。相位噪声的主要表?#20013;?#24335;为压缩振荡器中的相位变化,它包括振荡器本身的噪声和对振荡器进行控制和供电的部件的噪声。相位噪声通常以dBc/Hz为单位,它通常被划分为若干具有?#33539;?#26012;率的分段(如图1所示)。

     

    图1?#21644;?#20013;,自由运行的VCO的相位噪声和锁相运行的VCO进行比较,显示了环路带宽内的噪声?#31181;?#33021;力。在本文中,相位噪声的dB值被表示为LdB(f) = 10log(L(f))。

     

    在图1中,横轴为对数轴,在低于fc的频率范围内,相位噪声斜率为-30dB/dec,它的主要噪声成分为?#20102;?#22122;声,这主要是由放大器中围绕载波混频的基带?#20102;?#22122;声引起的。中间的-20dB/dec斜线段,主要反映了振荡器环路中的Q值。-10dB/dec斜线段通常只在Q值非常高的振荡器中出现。后面的斜率为0的直线主要反映了由有源设备的增益和噪声系数引起的热噪声。

     

    在锁相状态下,环路带宽以上的相位噪声会向自由运行噪声收敛。在环路带宽以下,噪声?#29615;?#39304;?#31181;疲?#36825;种反馈机制努力将相位噪声保持为与参考源的?#23545;?#30456;位噪声相等,因为它的时?#30828;?#32771;是Q值非常高的晶体振荡器,所以这时的相位噪声通常会低于自由运行时的噪声。

     

     
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