整数N分频和小数N分频PLL频率合成器的相位噪声

作者：Kevin Scott and Michel Azarian

在产生高频、高线性度信号源时，低相位噪声至关重要。相位噪声是信号相位不希望的变化或变化的量度。它是在频域中测量的，相当于时域中的抖动。使用PLL频率合成器时，总相位噪声由各种电路模块和组件的汇编组成，每个模块和组件都对最终值有贡献。各种贡献元件/电路包括压控振荡器（VCO）、参考时钟和相关电路、鉴频检波器和各种内部缓冲器。

相位噪声可以分为每个元件/电路的贡献部分，包括基准噪声、鉴频鉴相器噪声、VCO噪声和宽带噪声（由于放大器/缓冲器和其他内部电路），这些噪声是建立带外相位本底噪声的。

在决定整数N分频与小数N分频PLL频率合成器时，必须考虑总相位噪声、成本、步长、PLL设计复杂性、杂散噪声（小数N分频中累加器或三角积分引起的小数杂散）、整数边界杂散（也是小数N分频效应）和参考杂散）和环路锁定时间的重要性。

小数N分频PLL的优势

与整数N分频PLL相比，小数N分频（压裂N）PLL频率合成器具有几个关键优势，但在某些情况下，这些优势对客户来说可能并不重要，具体取决于应用。它允许较大的参考频率值，从而产生较小的乘法器项N。由于PLL的相位噪声乘以所选的N值（f外= f裁判* N） 和 frac-N PLL 需要较小的 N 值，由于参考频率乘以 N 而导致的相位噪声增加将降低 20log（N） dB，但这被相位频率检测器噪声的增加部分抵消 - 10log（f聚苯乙烯） dB（为简单起见，我们假设参考分频器值 R 为 1，因此 f裁判= f聚苯乙烯;较大的整数值会导致更多的噪声）。另一个优点是步长更小或分辨率更高。压裂 N 允许步长为数十赫兹，而整数 N 可能导致数十千赫兹。与类似的整数 N 解相比，压裂 N 也会锁定得更快。这是因为较低的N值允许更宽的环路滤波器带宽，这反过来又允许更快的锁定时间。

压裂 N 型锁相环的缺点

压裂N型PLL的最大缺点是它产生的分数和整数边界杂散，从使用的角度来看，它增加了复杂性（必须设计环路滤波器），并且在某些情况下成本更高。这些是客户可能选择整数N分频PLL的原因。LTC的新型压裂N型PLL器件减轻了这些缺点。它们设计用于产生非常低的整数边界杂散，其小数分频器使用先进的四阶 ΔΣ 调制器，该调制器不会产生分馏化杂散。在复杂性方面，我们的FracNWizard软件具有先进的PLL设计和仿真功能，可简化环路设计工作。

检查数据表的差异

在查看整数N和压裂N数据手册时，人们可能会对某些相位噪声规格看起来相似这一事实感到困惑，即使压裂N应该具有较低的相位噪声。例如，查看LTC6947数据手册的首页，“特性”部分给出了三相噪声规格：归一化带内相位本底噪声、归一化1/f噪声和宽带带外相位本底噪声。每个值分别为 -226dBc/Hz、-274dBc/Hz 和 -157dBc/Hz。对于 LTC6945，这些数字为 -226dBc/Hz、-274dBc/Hz 和 -157dBc/Hz。

关键是前两个规范已规范化。这意味着它们的计算不考虑完成设计所需的其他电路元件，这使得工程师可以进行并排比较。但是，这不会给出用户将获得的真实价值;相反，它是一个“品质因数”。当我们在实际应用中“非归一化”该值时，PLL N分频器值和参考时钟频率是最终值的因素。

规范化是 Frac-N 和整数 N 可以具有相似值的原因。在典型应用中使用时，Frac-N通常会产生低得多的带内相位噪声，因为它通常允许更高的参考频率（或PFD频率），并且如前所述，这会产生较小的N分压器（N）值，从而降低整体相位噪声。

例如，对于具有 100kHz 频率步长和 3GHz 输出的 LTC6945 整数 N 分频 PLL 频率合成器解决方案，PFD 设置为 100kHz。在使用 LTC6947 frac-N PLL 的同一示例中，可将 PFD 设置为更高的频率。让我们选择50MHz。这导致最大频率误差为 ~100Hz （50MHz/2^18）/2 – 除以 2^18 是因为 LTC6947 使用的 18 位三角积分调制器），或小 1000 倍的步进。

继续本示例，假设带内归一化相位噪声值相似，frac-N 3GHz 输出的带内相位噪声将比整数 N 输出的带内相位噪声低约 27dB（有关完整公式，请参见 LTC6947 数据手册图 11 的第 21 页）。虽然 LTC6947 压裂 N PLL 在压裂 N 模式下的归一化带内相位噪声差 1dB，但它提供的带内相位本底噪声比 LTC6945 整数 N 低 26dB。

最后需要注意的是，由于相位本底噪声不依赖于杂散分量，因此压裂N和整数N分相环具有相似的值。

凌力尔特提供整数 N （LTC6945 / LTC6946） 和 Frac-N （LTC6947 / LTC6948） PLL 频率合成器。两种类型均具有出色的相位噪声性能。如果需要更小的频率步长和最低的相位噪声，最好使用Frac-N。如果需要更低的成本和复杂性，请选择整数 N 分频 PLL。

审核编辑：郭婷