PLL频率合成器的杂散性能分析

工程实践及应用技术


PLL频率合成器的杂散性能分析

陈叶民
,刘长明
(国营第七一三厂设计所
,江西九江
332005)


摘　要
:杂散抑制是
PLL频率合成器的几个关键指标之一。在实际设计中
,杂散的输出种类比较多
,产生的原因
也各不一样
,但是它们中的大多数并不常见。首先从杂散的基本概念出发
,详细地介绍了
PLL的各种杂散类型以及产
生原因
,然后根据不同的起因提出了相应的工程解决方法
,最后给出了相应的工程案例
,为正在进行
PLL设计的射频
工程师们提供一个较好的参考作用。

关键词
: PLL ;频率合成器
;杂散
;噪声

中图分类号
: TN74211 文献标识码
:A 文章编号
: 1003 -3114 (2010) 01 -61 -3

Analysis on Spurious Performance in PLL Frequency Synthesizer

CHEN Ye2min ,LIU Chang2ming

(Design Institute of Factory NO1713 ,Jiujiang Jiangxi 332005 ,China)

Abstract :The spurious suppression is one of the key performances in PLL synthesizer1There are several types of the spurious outputs with
many different causes in practical design ,however most of them are not familiar1Based on the basic concept of spurious ,this paper introduces in
detail different spurious types and causes ,and then gives the corresponding engineering solutions and paradigms for according to the different
causes ,which provides good reference to RF engineer for PLL design1

Key words :PLL;frequency synthesizer;spurious;noise


载波频率成非谐波关系的离散频谱功率与载波功率

0　引言


频率合成器作为无线通信设备的核心部件
,其
性能的好坏直接决定了无线系统的应用性能。
PLL
作为频率合成的一种手段
,始终是高性能频率合成
器设计的首选。
PLL频率合成器的关键指标主要有
相位噪声、杂散抑制和换频时间等。由于换频时间
不具有普遍性
,仅在频率捷变系统中有严格的要求
,
另外关于相位噪声性能分析的资料较多
,因此本文
仅对频谱杂散进行详细分析。


1　杂散性能分析


111　杂散概念

杂散是指和输出信号没有谐波关系的一些无用
谱。在频谱上可能表现为若干对称边带
,也可能表
现为信号频率谱线旁存在的非谐波关系的离散单根
谱线。这些谱线的幅度一般都高于噪声。通常用与

收稿日期
:2009-11-20
作者简介
:陈叶民
(1972-) ,男
,硕士
/工程师。主要研究方向
:超短
波频率合成及超短波频谱监测测向技术。


之比来表征
PLL的杂散性能
,也就是常说的杂散抑
制指标
,以
dBc表示。


112　杂散分析及工程解决方法

杂散其实也属于噪声的范畴
,其传输特性与相
位噪声的传输特性基本一致。从
PLL的传输特性分
析
,任何

一个环节都可能成为引入杂散的途径
,这也
使得因引入杂散的途径和起因的不一样导致杂散种
类众多
,对杂散的分析也更为复杂。因此
,下面结合
工程实际
,对不同类型的杂散进行具体分析
,并提出
合理的改善手段。
11211
(高亮注释 Charles
2010-09-28 13:10:53
空白)
　鉴相泄漏引入的杂散
在PLL频率合成器的设计中,由鉴相泄漏引入的杂散是最常见的杂散
,它出现在鉴相频率的整数倍上 ,如图1所示。
它主要是由于充电泵的电流泄漏效应以及电路失配所致
,通常抑制该类杂散的手段主要通过环路滤波器的优化设计来实现。在工程上采用高阶环路
滤波器能对该类杂散有着较好的抑制,一般的PLL采用三阶环路滤波器基本能够满足要求。

由鉴相泄漏引入的杂散


11212　小数分频引入的杂散

传统的整数频率合成器通常采用提高鉴相频率的方法来降低输出信号的相位噪声
,这样便难以满足小频率步进的要求。小数分频技术的应用解决了
这一突出的矛盾,但同时又导致严重的小数分频杂散。在工程上为了解决小数分频杂散问题
,引入了Σ-Δ调制技术。Σ-Δ调制器的噪声成形技术可
以有效地改变噪声的频谱特性,通过环路滤波抑制杂散,是单一锁相环路实现小步进、低相噪的最佳途
径。目前CONEXANT公司的公司的
感,在设计上一定要加强滤波隔离。同时辅助PLL
不用的话,尽量在设计中关断其工作电源,以减少其
对主PLL的干扰。
11215　参考频率引入的杂散
该类杂散通常出现在偏离载波频率值为参考频
率的整数倍的地方,其原因是参考频率的输入幅度
太大,这将产生比较大的谐波分量,最终都可能调制
在载波频率的两端。工程上的解决方法主要是对参
考信号进行适当的滤波处理,以及保持一个合理的
输入电平。
11216　双PLL相互串扰引入的杂散
该类杂散通常出现在2个PLL电路靠的比较近
且同时工作的场合。某些情况下,这类杂散将会比
较大。其原因在于不合理的电源设计以及PCB布
局设计。2个PLL的充电泵同时工作时,它们将在
充电泵电源线上产生噪声,最终导致杂散的产生。
因此,从工程上解决该类杂散的方法就是对不同
PLL的充电泵电源进行隔离处理,并且尽可能地在
充电泵电源线上放置更多的滤波电容,同时必须保
证PCB设计的合理布局。在某些情况下,还可以考
虑改变2个PLL的鉴相频率,以提高它们之间的频
(高亮注释 Charles
2010-09-28 13:13:59
空白)
(高亮注释 Charles
2010-09-28 13:14:40
空白)
ADF4153 , MAXIM公司的MAX2150等,普遍都能将
小数分频杂散抑制到一个可以接受的水平。
(高亮注释 Charles
2010-09-28 13:13:53
空白)
11213　外部串扰引入的杂

散


PLL频率合成器可能处于不同的电磁环境下工
作
,在屏蔽隔离不够的情况下
,各种外部频率源都可
能形成对
PLL频率合成器的串扰
,主要包括
:显示
器、各种电话、单元板中其他元件、闪烁灯光、交流电
源和计算机等。一根长的信号走线可以等效成一根
天线
,从而引入干扰。因此
,从工程上解决该类杂散
的最好方法就是对敏感电路的屏蔽以及合理的
PCB
设计。
11214　辅助
PLL引入的杂散

该类杂散只产生于双
PLL芯片的频率合成器
中
,在频谱上可以看到离载波频率的频偏为主
PLL
和辅助
PLL (有时也可能是其高阶谐波
)的输出频
差。如果主
PLL和辅助
PLL的输出频率比较接近
时
,这种杂散最可能产生。其主要原因在于板上的
寄生电容导致高频信号的线间串扰
,以及芯片内部
的相互串扰。
PLL的充电泵电源对高频噪声极为敏

率差
,这样一个较窄的环路滤波器也能对该类杂散
起到较好的抑制。
11217　环路滤波器元件引入的虚假杂散

该类杂散的特点是从频域上来看
,并没有产生
新的杂散
,仅仅在频率切换后会导致鉴相泄露引入
的杂散电平突然增大。当工作频率改变后
,它需要
很长时间才能减小到之前的状态
,并稳定下来。这
种现象在较低鉴相频率时更为普遍
,其原因主要是
环路滤波器的电容泄漏
,有些理论也认为与环路滤
波器电容的一些其他不理想效应有关
,如介质吸收
等。
(高亮注释 Charles
2010-09-28 13:17:29
空白)
工程上的解决方法主要是使用高品质的电容。
电容类型主要有钽电容、
X7R、NPO等。另外
,采用
小数分频技术影响较小
,主要是小数分频引入的杂
散对充电泵泄漏和电容介质特性不敏感。
11218　前置分频器计数错误引入的杂散

该类杂散通常出现在鉴相频率的
1/2 ,也可能
出现在
1/ 3、2/ 3或其他一些小数倍数的鉴相频率
上。该类杂散是由于前置分频器计数错误所引起
的
,通常导致前置分频器计数错误的原因包括高频

62Radio Communications Technology Vol136 No11 2010

　
　



器,以提高其反向隔离度;③使用一个对应工作频
段的定向耦合器,但需要占用一定的PCB板空间。
112110
在离PLL芯片稍远一点的地方,这样在小电容和大
电容之间的走线将增加线上的电感,这种做法有助
于抑制高频噪声。同时在电源线上增加一个小电阻
有助于抑制低频噪声,这个电阻上的压降一般保持
在011 V左右,18 Ω是一个典型值,但实际取值应根
据工作电流而定;
②合理的PCB布局设计。必须确保充电泵的电
源线和VCO的压控线远离噪声信号,尽量在芯片周
围放置一些接地孔,以最小化

信号的反馈路径,并且
在顶层与地层之间放置一地层以减少相互间的串扰;
③合理的屏蔽设计。PLL电路属于噪声敏感
电路,对其进行屏蔽设计有利于避免外部干扰影响
PLL的输出信号质量,也避免了PLL输出信号对外
部设备的干扰;
④合理的环路滤波器设计。通常环路滤波器
阶数越高,带宽越窄对杂散的抑制效果越好。但如
果杂散是来自VCO本身,那么更宽的环路带宽有助
于改善杂散。当环路本身对某些带外杂散抑制效果
不佳时,在环路滤波器的后端增加一辅助LC低通
滤波器对杂散频率进行陷波,能起到很好的杂散抑
制效果。
工程实践及应用技术
输入脚的阻抗失配、
PLL灵敏度的变化和
VCO谐波
等。即使
PLL的灵敏度符合要求
,阻抗失配也能使
PLL灵敏度和
VCO谐波发生变化
;而且
,PLL芯片的
灵敏度还有一个上限范围。工程上的解决方法主要
有
:必须保证
PLL芯片的输入信号电平在芯片标识
特性的范围以内
,同时尽可能在工作频率上实现阻
抗匹配
,并且使
VCO的谐波抑制小于
-20 dBc ,甚至
更低
,以减少前置分频器的计数错误。
11219　前置分频器输出引入的杂散

该类杂散通常离载波频率比较远
,偏移值为
VCO输出频率除以分频比。在多数应用中
,对该类
杂散并不关心
,因为它在带外。其原因主要是
PLL
芯片与
VCO输出间隔离度不够
,导致前置分频器输
出信号反串到
VCO输出端形成干扰。要解决此问
题
,必须提高
PLL输入脚与
VCO之间的隔离度
,工
程上的解决方法主要有
:①在反馈路径上放一个有
足够衰减量的衰减器
,但衰减量的大小又受限于
PLL的输入灵敏度
;②在反馈路径上放一个放大

作频率。在大多数应用中
该类杂散离载波频率的偏移值为开关电源的工
,由于对开关电源的输出
滤波隔离不够
,直接应用到对噪声敏感的
PLL电路
中
,开关电源噪声很容易调制到
VCO的输出端
,在
工程上通过良好的滤波隔离基本能够解决此问题
,
如果在一些空间受限的场合无法做到很好的滤波隔
离时
,通常选用一个线性稳压器进行二次隔离
,能够
取得较好的抑制效果。


2　杂散问题的分析总结

总的来说
,以上杂散并不是
PLL杂散的全部
,仅
仅是在工程设计中碰到的相对常见的一些。要处理
好
PLL的各种杂散问题
,必须在一些细节上加以注
意
,才有可能获得较为满意的杂散性能。具体表现
在以下几个方面
:

①合理的电源去耦设计。通常充电泵的电源
易受到噪声的干扰。放置一个
100 pF,0101μF,
011μF能抑制较宽范围内的噪声。通常把较小的电
容放置在离
PLL芯片最近的地方
,而

把大电容放置
3　杂散性能优化的工程案例

某型接收机
PLL频率合成器的一本振输出频率
为
4 219 MHz ,要求杂散电平小于
-65 dBc。在实际
的工程设计中
, PLL芯片选用的是
ADF4106。由于
是单环设计
,电路较简单
,用
ADI公司的
PLL仿真软
件对该工程进行仿真
,采用三阶无源低通滤波器
,环
路带宽设计为
20 kHz。

调试过程中
,在
RS公司
FSU8频谱分析仪上输
出的频谱如图
2所示。从图上可以看到在载波频率
的
2端有对称的
2个小峰
,频偏在
140 kHz左右。通
过分析知道
,整机的电源单元全部采用开关电源设
计
,开关频率大概在
140 kHz左右
,由于馈入
PLL充
电泵的电源隔离滤波不够
,导致杂散的产生。虽然
在电源滤波上采取了进一步的措施
,但效果不明显。
后来在充电泵的输入端增加了一个高性能线性稳压
芯片
,对输入电源进行二次稳压
,达到了隔离开关噪
声的效果。重新测试输出信号频谱
,杂散消失
,信号
频谱如图
3所示。

2010年第
36卷第
1期无线电通信技术 63





工程实践及应用技术



图
2　有杂散的输出信号频谱图


4　结束语

通过上述对
PLL频率合成器杂散的分析
,使大
家对
PLL频率合成器杂散特性有了更为深刻的认
识
,也懂得了在
PLL的工程设计中如何提高其性能
及遇到上述问题该如何处理。工程上对于各种杂散
电平大小的预测很难
,必须对它们进行细致地分析
,
确认所属的杂散类型
,并采取对应的解决方法
,达到
改善杂散性能的目的。应该说
,本文对于正在进行
PLL设计的射频工程师来说是一个很好的参考。

参考文献


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有的因素只能用统计概率来考虑
,例如
:雨滴尺寸分
布、雨滴速度、雨滴温度、云层高度、地面站的纬度与
海拔高度及其地形地势等等。由于这些因素的影
响
,要想找到一个预测精度高、使用简便、应用范围
广、物理意义明确、适应于不同频段、不同仰角的理
想雨衰减预测模型
,显然是十分困难的。总

而言之
,
想要获取我国精确的降雨衰减预测模型是很困难
的
,更遑论全球适用的模型了。

降雨不仅会衰减电磁波
,还会引起噪声温度的
增加
,影响到接收信号的质量。对于上行链路
,因为
卫星天线指向地球
,由地球导致的卫星接收机噪声
温度的增加量远远超过降雨产生的噪声
,所以在上
行链路设计中
,通常只考虑雨衰引起的信号衰减
,不
考虑由降雨产生的噪声温度增加。对于下行链路
,
在晴空条件下
,大气热噪声是比较小的
,可不考虑天
空大气热噪声。当降雨发生时
,除了会引起信号的
衰减外
,降雨会增加下行链路的系统噪声温度。


4　结束语

通过对影响
Ka/ EHF频段卫星通信传输信道的

减。链路衰减主要研究了雨衰和云汽损耗
,研究了
其产生衰减的机理与特性。根据实测气象数据
,对
Ka/ EHF频段采用
ITU2R降雨衰减预测模型时的衰
减量值进行了计算
,为下一步抗衰减措施的提出提
供理论依据
,同时为工程设计提供具体的参考数据。
在未来
EHF频段卫星通信系统建设时
,必须对该卫
星通信系统覆盖范围内的
EHF频段传输特性作细
致深入的调查
,采取针对性的补偿措施
,最大限度地
提高系统可用度指标。

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