0 弁言
频率合成器为当代电子通信系统供应高稳定高性能的频率源，其好坏直接影响通信系统的质量。产生频率源的频率合成技能包括直接频率合成、直接数字频率合成、锁相环频率合成和稠浊频率合成。本文先容锁相环系统，对其进行线性相位噪声剖析，给出某系统中采取级联锁相环芯片LMK04031产生125 MHz时钟源的设计方法及测试结果。
1 锁相环先容
锁相环（PLL）是一个闭环掌握系统。紧张包括参考频率（RG）、鉴相器（PD）、环路滤波器（LPF）和压控振荡器（VCO）几个部分，如图1所示。通过将参考频率源产生的旗子暗记vi（t）与压控振荡器输出反馈回来的旗子暗记vo（t）在鉴相器中进行相位比较，产生一个干系的电压旗子暗记vd，经由环路滤波滤除毛刺和噪声后变为vc，掌握压控振荡器输出频率的变革，形成一个负反馈过程。设参考频率为i，输出频率为o，在环路锁定时，进入鉴相器中的两个旗子暗记频率相等。一样平常的锁相环电路中，为了得到更高的输出频率，将参考频率R分频，输出频率N分频后送入鉴相器中进行相位比较，则有：
即输出频率为参考频率的N/R倍。当今市场上的锁相环芯片常日集成N分频器、R分频器、鉴相器和VCO等部分。通过选择得当的参考频率、掌握N和R的值便可以得到所须要的输出频率。为了得到较高性能的频率源，也可以采取分立的鉴相器、VCO和分频器等器件。
锁相环可以分为仿照锁相环、数字锁相环和数模稠浊锁相环。数模锁相环又称电荷泵锁相环，与仿照锁相环比较具有跟踪范围广、捕获韶光短和本钱低的优点，现今集成锁相环芯片常日采取电荷泵锁相环。常日内部集成鉴相器、分频器和压控振荡器。
2 相位噪声剖析
在偏离载波foffset处相位噪声定义为在该频率处1 Hz带宽内的旗子暗记功率与载波旗子暗记的功率比值，可以用式（2）表示：
如图2所示，载波旗子暗记功率为Ps（dBm），偏移载波foffset处1 Hz内旗子暗记功率为Pn（dBc/Hz），那么根据式（2），相位噪声可以表示为：
L（f）（dBc/Hz）=Pn（dBc/Hz）-Ps（dBm）（3）
锁相环的相位噪声来源于各个组成部分，包括参考源、鉴相器、压控振荡器及其电路等。锁定条件下，当环路带宽小于鉴相频率的十分之一时，锁相环系统可以算作一个线性系统。对锁相环路进行线性剖析，可以得到各部分对输出相位噪声的影响。鉴相器通过比较输入旗子暗记与反馈旗子暗记，产生一个相位差，与鉴相增益Km相乘，得到偏差电流Ie：
再经由环路滤波器转化为直流掌握电压Vc：
Vc=Ie·F（s）（5）
锁相环路线性化模型如图3所示。根据图中各模块的通报函数，可以得到系统的前向增益：
反馈增益：
系统闭环通报函数可以写为：
式（8）也可以表示参考频率源部分的噪声对输出噪声产生影响的通报函数。利用通报函数对系统进行噪声剖析，可以得到R分频、N分频、鉴相器和VCO对系统输出噪声的影响。
R分频噪声通报函数：
N分频噪声通报函数：
鉴相器噪声通报函数：
VCO噪声通报函数：
根据式（8），可以得到参考频率源相位噪声对系统输出相位噪声的影响：
分频器R和N产生的相位噪声对系统的影响：
鉴相器产生的相位噪声对系统的影响：
压控振荡器产生的相位噪声对系统的影响：
系统各部分相位噪声对输出相噪的影响：
式（13）~（15）有一个公共因子
，对付频率相应表现为低通特性，因此参考源、分频器和鉴相器的相位噪声紧张表现在低频中，而式（16）的因子
表现为高通特性，因而VCO的相位噪声在高频时表现明显。因此为达到最小的相位噪声，系统的环路带宽应选为参考源噪声功率曲线与VCO噪声功率曲线相交处。
公共因子对N的变革表现为随N的增大而增大，因此分频器N应选择较小的数，等价于应选择较大的鉴相频率。同样，参数Km和Ko的增大都会导致输出相噪的增大，因此应选调谐系数较小的VCO。鉴相器常日用乘法器代替，选择鉴相增益较小的器件会减小系统相位噪声，通过环路滤波器抑制相位噪声。一样平常地，环路滤波器的带宽选为鉴相频率的1/10~1/20。
3 锁相环电路设计
频率源的质量直接影响通信系统的好坏。评价频率源的指标包括相位噪声、杂散、稳定度等。因此设计过程中应从器件选型、环路滤波、电路布局、分频器配置多个方面进行考虑。项目哀求得到125 MHz高稳定、低噪声、低杂散的旗子暗记。锁相环芯片选择TI公司的LMK04031，参考频率源选择项目中GPS高稳定时钟模块输出的10 MHz旗子暗记。
3.1 参考频率源选择
参考频率源为锁相环路供应一个标准，因此它的好坏直接影响输出频率的准确性、稳定度等指标。一样平常采取晶体振荡器作为参考源。晶振可以分为普通晶振、温补晶振（TCXO）、电压掌握晶振（VCXO）、恒温晶振（OCXO）等几种类型。普通晶振价格低、稳定度较差；电压掌握晶振输出频率可以随着电压变革而眇小变革，通过电压调节输出频率的偏移，办理晶振输出频率随韶光而变革的问题；温补晶振和恒温晶振都办理了晶振稳定度随温度变革而产生变革的问题，个中恒温晶振输出频率随温度变革最小，稳定度最高，价格也最昂贵。锁相环频率合本钱质上是对参考频率进行倍频，倍频过程会对相位噪声产生影响，见式（13）。因此选择高稳定低相噪的参考源可以改进系统的输出相位噪声。应根据工程指标选择得当的参考时钟。结合本钱与指标考虑，本设计采取一款TCXO作为参考时钟。
3.2 LMK04031先容
LMK04031是TI公司生产的具有级联PLL的低噪声时钟抖动清洁器。它内部集成两个锁相环：锁相环1通过吸收外接参考频率源的旗子暗记，进行R1分频后，与反馈回鉴相器的外接VCO或VCXO的N1分频旗子暗记进行相位比较，锁定后输出的稳定频率旗子暗记进入锁相环2中作为参考，再进行R2分频，与内部集成的VCO的N2分频旗子暗记进行相位比较。VCO可输出五路差分旗子暗记，并且可以进行以2为步进的2~510分频，因而可以输出5路不同频率旗子暗记，同时每个通道可以进行以150为步进的0~2 250 ps时延。芯片封装采取48脚WQFN封装，尺寸小，功耗低，利用方便。
寄存器的值可以通过TI公司软件CODELOADER确定。在CODELOADER中输入一系列须要设置的参数，便可得到相应的寄存器值。管脚PLL_MUX可以配置身分歧的内容来得到芯片内部的状态。例如配置为PLL1锁定高电平输出，那么此管脚便在PLL1锁定时输出高电平，没有锁定时为低电平。也可以配置为PLL2锁定指示、N分频输出、R分频输出等状态。在调试的过程中通过配置此管脚来确定芯片是否处于正常事情状态。本设计采取FPGA对寄存器进行配置。
3.3 环路滤波器设计
为了得到较好的相噪性能，环路滤波选择无源环路滤波器，由于不含有源器件，因此引入的噪声较有源环路滤波少。锁相环路1的参考频率源为TCXO，噪声较小，因此在锁相环路1中采取较大的环路带宽。而在锁相环路2中，参考频率源为VCXO的锁定输出，根据上述谈论，各部分相位噪声叠加对整体输出有影响，因此环路2中的带宽选择较小一些。采取ADI公司的环路设计软件ADISIMPLL进行环路设计，可以根据环路带宽、鉴相频率、相位裕度这三个参数确定环路滤波器。环路1中，参考频率为10 MHz OCXO，R1分频和N1分频分别为20和50，输出选择25 MHz VCXO，鉴相频率为 500 kHz，环路带宽选为鉴相频率的1/10。因此环路滤波器带宽选定为50 kHz，设计电路图见图4。LMK04031内部VCO频率为1 430~1 570 MHz，将输出设为1 500 MHz，经由VCO DIVIDER进行3分频，再进入多通道输出进行4分频便可得到125 MHz输出。环路2中的参考输入为环路1中VCXO的25 MHz输出，VCO输出定1 500 MHz，R2分频和N2分频分别为200 Hz和4 000 Hz，鉴相频率为125 kHz，环路滤波器2的带宽为12.5 kHz，设计电路图见图5。
3.4 电路设计
锁相环系统对噪声十分敏感，因此对芯片的供电采取线性稳压电源芯片。电路的布局应把稳仿照部分与数字部分隔离开来，减小数字部分对仿照部分的影响。环路的布线应尽可能短，高频线要把稳阻抗掌握。
4 电路调试及结果
级联锁相环的调试可以分别进行。测试中，通过变动不同寄存器的数据，使得PLL_MUX引脚输出R分频或N分频的结果，利用示波器测试输出的频率是否为设定的鉴相频率，便可得知寄存器是否被精确赋值。通过PLL_MUX输出锁定指示状态可以判断环路是否锁定。两级锁相环可分别调试。设计哀求输出125 MHz，在偏离100 kHz处丈量其相位噪声，为-110.95 dBc/Hz，如图6所示，达到了设计的哀求。
5 结束语
本文首先先容了锁相环的构造组成，之后通过对系统各部分模块噪声的线性剖析，得出锁相环电路设计过程中减小相位噪声的手段：选择性能良好的参考源、选择得当的环路带宽和良好的电路布局布线，末了通过基于LMK04031芯片设计电路的实例给出了锁相环设计的一样平常性方法。
参考文献
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