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时钟201系列: 非相位噪声的情况 (第三篇)

2019-12-02
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任何受过高频电子学培训或有经验的人都熟悉寄生电容和电感的概念。这些是你在组装物理可实现电路时无意中得到的“隐藏原理图”组件。根据应用程序和所需的精度,可能需要明确地对这些元素建模。
 
结果表明,一个独立的振荡器可以将能量耦合到锁相环的VCO上,从而影响甚至接管锁相环的输出频率和相位。这就是寄生锁相环的情况。这是一种特殊情况下的振荡器注入如下所述。
 
在这篇文章中,我将回顾这一现象的基本理论和建模,并指出结果中的亮点。在设计或应用振荡器和锁相环时,这种基本的注入式知识是有用的。最后列出引用文献以供进一步研究。在下一篇文章中,我将讨论如何测量注入敏感性并提供缓解措施。
 
研究目的
注入锁定实际上在某些特定的应用中是有用的,比如注入锁定分频器。参见Razavi(2004)。然而,在锁相环频率合成中无意注入是不可取的,原因如下:
  • 注入拉升会增加低频相位噪声和相位抖动。
  • 注入锁定振荡器的稳定性是由干扰源决定的。
  • 寄生耦合路径或多个路径可能在操作环境上不好控制。
  • 最后,当积分器试图错误地校正相位误差时,即使是同步干扰也会增加第二类锁相环的绝对抖动。
 
除非另有说明,本文假设感兴趣的应用涉及依赖LC谐振槽振荡器的锁相环。这种电路是常用的,受到电源耦合和外部干扰。它们的Q或质量因子足够高,可以产生相当好的相位噪声性能,但又足够低,因此注入可能会成为一个问题。
 
振荡器注入
注入牵引或锁定是指一个独立振荡器干扰或锁定另一个独立的近同步振荡器的频率和相位。用串扰术语来说,受影响的振荡器的频率是由干扰者的频率拉动的。在极端情况下,一个振荡器将被拉到另一个振荡器的频率上。
 
众所周知,振荡器在接近时往往会相互锁定。17世纪,荷兰科学家克里斯蒂安·惠更斯(ChristiaanHuygens)首次在摆钟中观察到机械注入锁紧。想要了解这项工作的最新进展,请参阅佐治亚理工学院的这篇在线论文: http://schatzlab.gatech.edu/Library/Bennett2002.pdf
 
这通常在教育环境中使用节拍器在共享滚动或固定平台上进行演示。例如,参见http://salt.uaa.alaska.edu/physics_public/metro.html我自己做过,这是一个很好的演示。当使用调谐振荡器电路时,类似的行为也会发生在电子学中。关于这个主题的两篇经典论文是Adler(1946)和Kurokawa(1973)。
 
独立振荡器
此外,独立的概念可以扩展到具有不同相位噪声特性的同步时钟。后一种情况最重要的例子是锁相环的输入和输出时钟域。考虑一个提供给窄带宽“清理”锁相环的有噪声的输入时钟,它产生相同频率的输出时钟。抖动衰减的输出与输入时钟是同步的,但与相位噪声无关。
 
基本注入理论
关于这个主题,我最喜欢的实用论述是在Wolaver(1991)一书中,我在接下来的文章中大量引用了他的著作。考虑以下从他的书中改编的数字。我使用“INJ”下标的注入量和“T”下标的坦克数量的清晰度。
 
对于持续的振荡,油箱电路必须产生一个从VT到V 'T的补偿相移-Phi1,且Phi1 =Phi2。底线是注入电压将导致振荡器回路的相位偏移。
 
振荡器注入锁定范围
通过假设VINJ << VT, Wolaver推导出了一个注入常数或增益,其中注入就像一级锁相环。下面是Wolaver推导KINJ的一个版本,其中一项重新转换为功率比的平方根。
 
推导过程提出了几个重要的结论:
  1. 标称油箱频率越高,注入的磁化率越大。
  2. Q值越高,注入敏感性越低。
  3. 注入锁紧范围随着注入干扰的增大而增大。
  4. 原则上,任何振荡器都可以注入锁定。
 
下面的模型改编自Wolaver最简单的小信号模型,用于注射锁相环。这个版本爆发的注入恒定的贡献角度α代表了注入信号和输入信号之间的相位差。
在这个模型中有两个重要的特性需要注意。
  • 注入改变了近似锁相环带宽(BW)从K, K = K + KINJ * cosα
  • 为了最小化注射效果,我们需要KINJ << K
 
最后一项是最重要的。Wolaver建议K > 4 * KINJ。在其他条件相同的情况下,窄带宽锁相环更容易受到影响。
 
展望下一期时钟201博文,标称的(未注入的)和注入的锁相环BWs之间的关系将在故障排除和缓解方面被证明是有用的。你可能还记得以前的一篇博客文章《时钟101:PLL的VCO高通传输函数的案例》。提出了一种较宽带宽的锁相环可以用来衰减VCO固有相位噪声。同样,宽带宽锁相环也有助于抑制外部因素对VCO的影响,如注入、牵引或锁定。
 
结论
我希望大家喜欢本期的时钟201博文。下一次,我将跟踪测量和最小化注射灵敏度。和往常一样,如果你有主题建议,或者有你想要回答的问题,适合这个博客,请将它们发送到kevin.smith@silabs.com,并在标题栏中注明时间201。我要考虑一下,看看能不能把他们安排进去。感谢你的阅读。
 
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