硬件设计-利用环路设计优化PLL的输出性能

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前言

问题描述

问题分析步骤

杂散源头排查

245.76M 参考相噪：

30.72M VCXO的相噪性能测试如下:

解决方案

前言

LMK04832是TI 新发布的低抖动双环去抖模拟时钟， 其最高输出频率可以到达3250MHz， 输出抖动极低，3200MHz输出可达到49fs（积分范围12k~20M），54fs（积分范围100Hz～100MHz），其噪底可以达到-156.5dBc/Hz， 比起前一代产品LMK0482*系列，噪底降低1～2dB。 在调试其新发布的demo板时发现输出口频率近端有杂散泄漏，笔者进行了问题排查定位，最终发现由于VCXO引入该杂散， 确定原因后，通过适当的环路设计，可以有效地解决该问题。

问题描述

当需要LMK04832 作为去抖器件功能时，其需要工作在双环模式，LMK04832 双环简化的内部结构如下，外部输入的信号除了参考外，还需要提供VCXO

对未调试过的新demo板第一次进行调试，应用条件如下： Ref=245.76M VCXO=30.72M VCO=2949.12M 测试任意输出口的信号，都发现近端（

由于常规应用中会使用04832这样的去抖器件输出给ADC/DAC 供时钟，若不消除该杂散，则会对系统性能产生一定程度的影响，所以本次调试的主要目的就是尽可能地消除这样的杂散。

问题分析步骤

杂散源头排查

根据锁相环的原理，对每一级环而言，其噪声/杂散贡献量的分布图如下：

对第一级环而言，上面桔黄色部分的“VCO”就是VCXO， 而对第二级环而言，上面粉色部分的“reference oscillator” 就是第一级环的 VCXO。 Demo板上第一级&第二级默认环路滤波器设计如下：

由于第一步测试没有去细调参数，所用默认配置得到的环路带宽如下:

可以看出，第一级环路带宽为30Hz, 第二级环环路带宽90k，而杂散位置为50Hz，正好处在环路滤波器的滚降区内，所以嫌疑最大的是VCXO。 按照标准流程，需要根据参考性能和VCXO的相噪性能重新设计环路滤波器。 测试结果如下：

245.76M 参考相噪：

30.72M VCXO的相噪性能测试如下:

如上图红色框所示，测试过程发现30.72M的VCXO在近端有类似的杂散，由此验证了之前的怀疑：该近端杂散由VCXO引入。 若按照VCXO的相噪值，clock design tool的推荐配置如下， 其第一级环的环路滤波器：

理论上能达到的性能如下：

解决方案

首先需要查找VCXO近端杂散存在的原因， 因为杂散为50Hz，所以电源嫌疑比较大，当更换原始的demo板供电的开关电源为数字电源后，该杂散消失，但由于客户最终应用条件里仍然会使用普通的开关电源供电， 故仍然需要在开关电源存在的条件下进行调试。 对于 50Hz的杂散，用电源滤波的方式很难滤除，笔者尝试了增加去耦和磁珠滤波，都未能彻底解决该问题，所以只能从PLL本身来想办法。 根据锁相环信号传递函数，VCXO对第一级而言，其噪声/杂散是高通，如下图：

另外环路滤波器的高通特性又受相位余量的影响， 相位余量越低，其环路滤波器越陡，对带外抑制越大，如下图：