【導讀】設計并調試鎖相環(huán)(PLL)電路可能會很復雜,除非工程師深入了解 PLL 理論以及邏輯開發(fā)過程。本文介紹 PLL 設計的簡易方法,并提供有效、符合邏輯的方法調試 PLL 問題。
仿真
如果不在特定條件下進行仿真,則估計一個 PLL 電路的規(guī)格將會是十分困難的。因此,進行 PLL 設計的第一步應當是仿真。我們建議工程師使用ADIsimPLL 軟件運行基于系統要求的仿真,包括參考頻率、步進頻率、相位噪聲(抖動)和頻率雜散限制。
許多工程師面對如何選擇參考頻率會感到無所適從,但其實參考頻率和輸出頻率步進之間的關系是很簡單的。采用整數 N 分頻 PLL,則輸出頻率步進等于鑒頻鑒相器(PFD)輸入端的頻率,該頻率等于參考分頻器 R 分頻后的參考頻率。采用小數 N 分頻 PLL,則輸出頻率步進等于 PFD 輸入頻率除以 MOD 值,因此,您可以使用較高的參考頻率,獲得較小的頻率步進。決定使用整數 N 分頻或是小數 N 分頻時,可犧牲相位噪聲性能換取頻率步進,即:較低的 PFD 頻率具有更好的輸出頻率分辨率,但相位噪聲性能下降。
例如,表1顯示若要求具有固定頻率輸出以及極大的頻率步進,則應首選整數 N 分頻 PLL(如ADF4106),因為它具有更佳的總帶內相位噪聲。相反,若要求具有較小的頻率步進,則應首選小數 N 分頻 PLL(如ADF4153),因為它的總噪聲性能優(yōu)于整數 N 分頻 PLL。相位噪聲是一個基本的 PLL 規(guī)格,但數據手冊無法針對所有可能的應用指定性能參數。因此,先仿真,然后進行實際硬件的測試就變得極為關鍵。
表1. 相位噪聲確定 PLL 的選擇
甚至在真實條件下通過 ADIsimPLL 仿真 PLL 電路時,結果也可能是不夠的,除非真實參考以及壓控振蕩器(VCO)的模型文件已包含在內。如果未包含在內,則仿真器將使用理想參考和VCO 進行仿真。若要求高仿真精度,則花在編輯 VCO 和基準電壓源庫文件上的時間將會是值得的。
PLL 使用與放大器類似的負反饋控制系統,因此環(huán)路帶寬和相位裕量的概念此處依然適用。通常,環(huán)路帶寬應設為 PFD 頻率的十分之一以下,且相位裕量的安全范圍為 45°至 60°。此外,應當進行針對真實電路板的仿真和原型制作,以便確認電路符合 PCB 布局對寄生元件、電阻容差和環(huán)路濾波器電容的規(guī)格要求。
有些情況下,暫時沒有合適的電阻和電容值,因此工程師必須確定是否能使用其他值。在 ADIsimPLL 的"工具"菜單中隱藏了一項小功能,稱為"BUILT"。該功能可將電阻和電容值轉換為最接近的標準工程值,允許設計人員返回仿真界面,驗證相位裕量和環(huán)路帶寬的新數值。
寄存器
ADI PLL 提供很多用戶可配置選項,具有靈活的設計環(huán)境,但也會產生如何確定存儲在每個寄存器中數值的難題。一種方便的解決方案是使用評估軟件設置寄存器值,甚至 PCB 未連接仿真器時也能這么做。然后,設置文件可保存為.stp 文件,或下載至評估板中。圖 1 顯示 ADIsimPLL 仿真結果,提供諸如VCO 內核電流等參數的建議寄存器值。
圖 1. ADIsimPLL 仿真軟件提供寄存器設置的建議值
原理圖和 PCB 布局
設計完整 PLL 電路時,需牢記幾點。首先,重要的是匹配 PLL的參考輸入端口阻抗,將反射降至最低。另外,保持電容與輸入端口并聯組合值盡量小,因為它會降低輸入信號的壓擺率,增加 PLL 環(huán)路噪聲。更多詳細信息請參考 PLL 數據手冊上的輸入要求。
其次,將模擬電源與數字電源相分離,最大程度減少它們之間的干擾。VCO 電源特別敏感,因此此處的雜散和噪聲可輕易耦合至 PLL 輸出。更多注意事項以及詳細信息,請參考利用低噪聲 LDO 調節(jié)器為小數 N 分頻壓控振蕩器(VCO)供源,以降低相位噪聲 (CN-0147)
再則,用于組成環(huán)路濾波器的電阻和電容應當放置在盡可能離PLL 芯片近的地方,并使用仿真文件中的建議值。若您在改變環(huán)路濾波器元器件值之后發(fā)現難以鎖定信號,請嘗試使用最初用于評估板的數值。
對于 PCB 布局而言,其主要原則是將輸入與輸出分離,確保數字電路不會干擾模擬電路。例如,若 SPI 總線太過靠近參考輸入或 VCO 輸出,則訪問 PLL 寄存器時,VCO 輸出會在 PLL輸出端產生雜散現象。
從熱設計角度來看,可在 PLL 芯片底下放置一個導熱接地焊盤,確保熱量流經焊盤,到達 PCB 和散熱片。在極端環(huán)境下使用時,設計人員應計算 PLL 芯片和 PCB 的所有熱參數。
有效利用 MUXOUT
在調試階段開始時,若 PLL 不鎖定,則很難確定應當從何處開始。第一步,可以使用 MUXOUT 查看是否所有內部功能單元都正常工作,如圖 2 所示。例如,MUXOUT 能顯示 R 計數器輸出,指示參考輸入信號良好,且寄存器內容成功寫入。MUXOUT 還能檢查檢測器的鎖定狀態(tài),以及反饋環(huán)路中的 N分頻輸出。通過這種方法,設計人員可確定每個分頻器、增益或頻率值是否正確。這是調試 PLL 的基本過程。
圖 2. MUXOUT 引腳輔助 PLL 進行調試
時域分析
調試 PLL 時,使用時域分析,演示寫入串行外設接口(SPI)總線上的寄存器數據是正確的。雖然讀寫操作需要的時間比較長,但請確保 SPI 時序符合規(guī)格,且不同線路之間的串擾減小到最低程度。
應當參考 PLL 數據手冊中的時序圖,以便確定數據建立時間、時鐘速度、脈沖寬度和其他規(guī)格。確保留有足夠的裕量,以便在所有條件下都滿足時序要求。使用示波器檢查時域內的時鐘和數據邊沿位于正確位置。若時鐘和數據線路太過接近,則串擾會使時鐘能量通過 PCB 布線耦合至數據線路。這種耦合會導致數據線路在時鐘的上升沿產生毛刺。因此,讀寫寄存器時需檢查這兩條線路,尤其當寄存器出現錯誤時。確保線路電壓滿足表 2 的規(guī)格。
表 2. 邏輯輸入
頻譜分析
頻域中的問題更常見、更復雜。如果使用頻譜分析儀,則應當首先檢查 PLL 輸出是否鎖定;如果波形具有穩(wěn)定的頻率峰值則表示鎖定。如果未鎖定,則應當遵循前文所述的步驟。
如果 PLL 已鎖定,則收窄頻譜分析儀帶寬,以便確定相位噪聲是否位于可接受范圍內,并將測試結果與仿真結果對照確認。測量某些帶寬條件下的相位噪聲,如 1 kHz、10 kHz 和 1 MHz。
若結果與預期不符,則應首先回顧環(huán)路濾波器設計,檢查 PCB板上元器件的真實值。然后,檢查參考輸入的相位噪聲是否與仿真結果一致。PLL 仿真相位噪聲應與真實值接近,除非外部條件有所不同,或向寄存器寫入了錯誤值。
電源噪聲不可忽略,哪怕使用了低噪聲 LDO;因為 DC-DC 轉換器和 LDO 都可能成為噪聲源。LDO 數據手冊顯示的噪聲頻譜密度通常會影響噪聲敏感型器件,比如 PLL(見圖 3)。為PLL選擇低噪聲電源,特別是需要為VCO的內核電流提供電源。
圖 3. LDO 噪聲頻譜密度
通常 PLL 的輸出端會有四種類型的雜散:PFD 或參考雜散、小數雜散、整數邊界雜散以及外部來源雜散,如電源。所有PLL 都至少有一種類型的雜散,雖然永遠無法消除這些雜散,但某些情況下,在不同類型的雜散或頻率之間進行取舍,可以改進整體性能。
若要避免參考雜散,請檢查參考信號的上升沿。邊沿過快或邊沿幅度過大都會對頻域造成嚴重的諧波現象。另外,仔細檢查PCB 布局,避免輸入和輸出之間產生串擾。
如需最大程度地減少小數雜散,可增加擾動,迫使小數雜散進入本底噪聲中,但這樣做會略為增加本底噪聲。
整數邊界雜散不常見,且僅當輸出頻率過于接近參考頻率的整數倍時才會發(fā)生,此時環(huán)路濾波器無法將其濾除。解決該問題的簡便方法是重新調節(jié)參考頻率方案。例如,若邊界雜散發(fā)生在 1100 MHz 處,且輸出為 1100.1 MHz,參考輸入為 20 MHz,則使用 100 kHz 環(huán)路濾波器將參考頻率改為 30 MHz 即可消除該雜散。
結論
調試 PLL 要求對 PLL 具有深入的理解,并且如果在設計階段格外仔細,就能避免很多問題。若問題發(fā)生在調試階段,請遵循本文所述之建議,對問題逐一進行分析并逐步解決問題。更多信息,請參考網站上的豐富信息資源:www.analog.com/pll.
參考電路
Curtin, Mike, and Paul O’Brien.“Phase-Locked Loops for High-Frequency Receivers and Transmitters—Part 1.” Analog Dialogue, Volume 33, Number 1, 1999.
Curtin, Mike, and Paul O’Brien. “Phase-Locked Loops for High-Frequency Receivers and Transmitters—Part 2.” Analog Dialogue, Volume 33, Number 1, 1999.
Curtin, Mike, and Paul O’Brien, “Phase-Locked Loops for High-Frequency Receivers and Transmitters—Part 3.” Analog Dialogue, Volume 33, Number 1, 1999.
CN0147 Circuit Note. Powering a Fractional-N Voltage Controlled Oscillator (VCO) with Low Noise LDO Regulators for Reduced Phase Noise.
Fox, Adrian. “PLL Synthesizers (Ask the Applications Engineer—30).” Analog Dialogue, Volume 36, Number 3, 2002.
MT-086 Tutorial. Fundamentals of Phase-Locked Loops (PLLs).
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