引言

TI 合成器以整數(shù)和分?jǐn)?shù)模式運行。本應(yīng)用簡報重點介紹鎖相環(huán) (PLL) 運行的分?jǐn)?shù)模式。輸出端的大多數(shù)雜散均在 TI 開發(fā)的 PLLatinum Sim 工具中進行建模。

圖 1 展示了 LMX2820 PLL 方框圖，其中包括 ΔΣ 調(diào)制器，也稱為 MASH。

圖 1 LMX2820 的功能方框圖

在分?jǐn)?shù)模式運行期間，ΔΣ 調(diào)制器處于啟用狀態(tài)。ΔΣ 調(diào)制器的輸出會改變反饋分頻值。ΔΣ 調(diào)制器輸出端的變化范圍取決于調(diào)制器階數(shù)。圖 2 展示了 MASH 引擎和 MASH_SEED 的位置。

圖 2 ΣΔ 調(diào)制器 (MASH) 的 MASH_SEED 位置方框圖

圖 3 PLL 中可能存在的各種雜散（在 PLLatinum Sim 工具中建模）

圖 4 PLLatinum Sim 中的 MASH 圖形導(dǎo)出選項

對于特定的分?jǐn)?shù)輸入和 MASH_SEED，PLLatinum Sim 工具會預(yù)測 MASH 輸出的圖形并對其進行建模。如圖 4 中所示，從 PLLatinum Sim 工具導(dǎo)出圖形。下載的 Excel 雜散表中的 X 列提供了序列。

分?jǐn)?shù)模式

分?jǐn)?shù)模式：NUM/DEN 為非零。MASH 運行有多個階。本應(yīng)用簡報涵蓋以下主題：

• 一階：雜散位置示例。
• 二階：MASH_SEED 對雜散的影響和優(yōu)化的示例。
• 二階與三階和雜散優(yōu)化：兩個示例。
• 三階：分母 (PLL_DEN) 偏移 1。
• 有關(guān) MASH_SEED 選擇的更多指南

一階

如下面的圖 5 所示，一階 MASH 給出 20MHz 處的 IBS（整數(shù)邊界雜散），幅度為 -62.1dBc/Hz。可以優(yōu)化該雜散幅度，如應(yīng)用簡報的其余部分所示。

圖 5 PLLatinum Sim 展示一階雜散位置

二階

當(dāng) MASH_ORDER 從一階更改為二階時，20MHz 處的 IBS 雜散從 -62.1dBc/Hz (圖 5) 降至 -73dBc/Hz (圖 6)。

圖 6 MASH_SEED 為 0

圖 7 MASH_SEED 為 100

圖 8 MASH_SEED 為 0

圖 9 MASH_SEED 為 100

20MHz 偏移處的 IBS（整數(shù)邊界雜散）不受 MASH_SEED 變化的影響。

當(dāng)使用 MASH_SEED 優(yōu)化時，10MHz 處由 MASH 生成的次分?jǐn)?shù)雜散 (0.5×Fpfd/DEN=0.5×(200M/10)) 會減少。如上面的圖 8 和圖 9 所示，當(dāng) MASH_SEED 從 0 更改為 100 時，10MHz 處的主要次分?jǐn)?shù)雜散從 -57dBc/Hz 降至 -65.9dBc/Hz。PLLatinum Sim 工具預(yù)測 MASH_SEED 為 100 時次分?jǐn)?shù)雜散消失，但在器件中，主要次分?jǐn)?shù)雜散降低了 9dBC/Hz。因此，PLLatinum Sim 工具的預(yù)測方向是與器件相匹配。

二階與三階和雜散優(yōu)化的兩個示例

示例 1

以下各圖顯示了 6.42GHz 處的二階與三階雜散優(yōu)化：

• 圖 10
• 圖 11
• 圖 12
• 圖 13

圖 10 二階（器件 PN 圖）

圖 11 二階（PLLatinum Sim 設(shè)置快照）

圖 12 三階（器件 PN 圖）

圖 13 三階（PLLatinum Sim 設(shè)置快照）

三階 MASH 可以改善二階 MASH 的雜散，如圖 12 和圖 10 所示。當(dāng) MASH_ORDER 從二階更改為三階時，PLLatinum Sim 預(yù)測了 10MHz 幅度下的次分?jǐn)?shù)雜散從 -62.8dBc/Hz 降低到 -80dBc/Hz（改變了 17.2dBc/Hz）。器件顯示從 -59dBc/Hz 更改為 -73dBc/Hz（更改了 14dBc/Hz）。

減少雜散的另一個選擇是降低電荷泵的增益。我們在 PLLatinum Sim 工具中可看到，當(dāng)電荷泵增益從 15.4mA 更改為 4.2mA 時，這些偏移處的滾降所呈現(xiàn)的效果。

圖 14 10MHz 偏移處的滾降值（電荷泵增益為 15.4mA）

圖 14 和圖 15 展示了由于電荷泵增益而導(dǎo)致的滾降變化。

PLLatinum Sim 工具中顯示滾降（10MHz 偏移）存在 ?11dB 的變化。圖 16 展示了電荷泵增益降低至 4.2mA 時的器件結(jié)果。比較 圖 16 (-74dBc/Hz) 和 圖 12 (-84dBc/Hz) 之間的次分?jǐn)?shù)雜散 (10MHz)，可知其變化接近 10dBc/Hz。這與 PLLatinum Sim 工具的預(yù)測非常接近。

圖 15 10MHz 偏移處的滾降值（電荷泵增益為 4.2mA）

圖 16 電荷泵增益降低后的三階（器件 PN 圖）

示例 2 (6.02GHz)

下面的圖 17 和圖 19 展示了 6.02GHz 處二階與三階和雜散優(yōu)化的器件圖比較。

圖 17 二階 MASH（器件 PN 圖）

圖 18 二階 MASH（PLLatinum Sim 設(shè)置快照）

圖 19 三階 MASH（器件 PN 圖）

圖 20 三階（PLLatinum Sim 設(shè)置快照）

對于示例 2，當(dāng) MASH_ORDER 從二階移到三階時，PLLatinum Sim 工具（圖 18 和圖 20）預(yù)測 10KHz 處次分?jǐn)?shù)雜散的雜散幅度變化 ?17dBc/Hz（-62dBc/Hz 至 -79.3dBc/Hz）。器件顯示雜散幅度變化為 -15dBc/Hz（-57.47dBc/Hz 至 -72.66dBc/Hz）。

電荷泵的增益降至 4.2mA，對相位噪聲的影響如圖 21 所示。使用該選項時，請確保相位裕度大于 45 度。

圖 21 電荷泵增益降低后的三階 MASH（器件 PN 圖）

另一種可以減少雜散的方法如圖 22 所示。使用更大的非等效分?jǐn)?shù)是減少雜散的有效方法。與圖 21 相比，圖 22 中的雜散幅度較小。

圖 22 電荷泵增益減小且分?jǐn)?shù)略有變化時的三階 MASH（器件 PN 圖）

在三階中，分母偏移 1，如圖 23 所示。

圖 23 分?jǐn)?shù)更改設(shè)置

分母輕微變化對雜散影響的另一個示例：

1. PLL_NUM/PLL_DEN = 1510000/36000000，然后設(shè)置 MASH_SEED = 1
2. PLL_NUM/PLL_DEN = 1510000/36000001，然后設(shè)置 MASH_SEED = 0

下面的圖 24、圖 25、圖 26 展示了上面所示情況的相位噪聲圖。與沒有偏移且 MASH_SEED 為 1 的情況相比，將分母偏移 1 可獲得更好的改進。

圖 24 三階，MASH_SEED 為 0 且 PLL_NUM/PLL_DEN = 1510000/36000000

圖 25 三階，MASH_SEED 為 1 且 PLL_NUM/PLL_DEN = 1510000/36000000

圖 26 三階，MASH_SEED 為 0 且 PLL_NUM/PLL_DEN = 1510000/36000001

使用較大的非等效分?jǐn)?shù)是減少雜散的有效方法。如果用戶不想得到不精確的輸出頻率，請使用 MASH_SEED = 1，但 MASH_SEED = 1 不如較大的非等效分?jǐn)?shù)那么有效。

更改 MASH_SEED 時要注意的點：

1. 為了減少雜散，沒有必要使種子大于 (PLL_DEN) - 1

   1. 如果 MASH_SEED 是 PLL_DEN 的倍數(shù)，則 MASH_SEED 與 MASH_SEED = 0 相同，例如如果 PLL_DEN = 10 且 MASH_SEED = 100，則沒有影響

   2. MASH_SEED Mod PLL_DEN 的影響。例如，如果分?jǐn)?shù)為 3/10，則 MASH_SEED = 1, 11, 21, 31, … 10n+1, … 均具有相同的影響

2. 如果 MASH_SEED = 0，則簡化分?jǐn)?shù)

   1. 如果 MASH_SEED = 0，則分?jǐn)?shù) (PLL_NUM/PLL_DEN) 10/100 與 1/10 的頻譜相同；但如果 MASH_SEED=1，則不相同

更多雜散優(yōu)化選項

在參考路徑中使用預(yù)分頻器和乘法器來更改雜散偏移位置。

其他資源

• 德州儀器 (TI)，時間就是一切：改善分?jǐn)?shù) PLL 合成器中的整數(shù)邊界雜散 技術(shù)文章
• Dean Banerjee，PLL Performance, Simulation, and Design, 5th Edition, Chapters 20 and 21
• 德州儀器 (TI)，PLLATINUMSIM-SW 仿真器工具，軟件支持