锁相环的电源管理设计

最新更新时间:2012-12-20来源: 电子发烧友关键字:锁相环  电源管理 手机看文章 扫描二维码
随时随地手机看文章

  锁相环(PLL)是现代通信系统的基本构建模块PLLs通常用在无线电接收机或发射机中,主要提供“本振”(LO)功能;也可用于时钟信号分配和降噪,而且越来越多地用作高采样速率模数或数模转换的时钟源,由于每一代PLL的噪声性能都在改善,因此电源噪声的影响变得越来越明显,某些情况下甚至可限制噪声性能。

  本文讨论图1所示的基本PLL方案,并考察每个构建模块的电源管理要求。

  

  图1.显示各种电源管理要求的基本锁相环

  PLL中,反馈控制环路驱动电压控制振荡器(VCO),使振荡器频率(或相位)精确跟踪所施加基准频率的倍数。许多优秀的参考文献 (例如Best的锁相环1),解释了PLL的数学分析;ADI的ADIsimPLL™等仿真工具则对了解环路传递函数和计算很有帮助。下面让我们依次考察一下PLL构建模块。

  VCO和VCO推压

  电压控制振荡器将来自鉴相器的误差电压转换成输出频率。器件“增益”定义为KVCO,通常以MHz/V表示。电压控制可变电容二极管(变容二极管) 常用于调节VCO内的频率。VCO的增益通常足以提供充分的频率覆盖范围,但仍不足以降低相位噪声,因为任何变容二极管噪声都会被放大KVCO倍,进而增加输出相位噪声。

  多频段集成VCO的出现,例如用于频率合成器ADF4350的集成VCO,可避免在KVCO与频率覆盖范围间进行取舍,使PLL设计人员可以使用包含数个中等增益VCO的IC以及智能频段切换程序,根据已编程的输出频率选择适当的频段。这种频段分割提供了宽广的总体范围和较低噪声。

  除了需要从输入电压变化转换至输出频率变化(KVCO)外,电源波动也会给输出频率变化带来干扰成分。VCO对电源波动的灵敏度定义为VCO 推压(Kpushing),通常是所需KVCO.的一小部分。例如,Kpushing通常是KVCO的5%至20%。因此,对于高增益VCO,推压效应增大,VCO电源的噪声贡献就更加举足轻重。

  VCO推压的测量方法如下:向VTUNE引脚施加直流调谐电压,改变电源电压并测量频率变化。推压系数是频率变化与电压变化之比,如表1所示,使用的是ADF4350 PLL。

  

  参考文献2中提到了另一种方法:将低频方波直流耦合至电源内,同时观察VCO频谱任一侧上的频移键控 (FSK)调制峰值(图2)。峰值间频率偏差除以方波幅度,便得出VCO推压系数。该测量方法比静态直流测试更精确,因为消除了与直流输入电压变化相关的任何热效应。图2显示ADF4350 VCO输出在3.3 GHz、对标称3.3 V电源施加10 kHz、0.6 V p-p方波时的频谱分析仪曲线图。对于1.62 MHz/0.6 V或2.7 MHz/V的推压系数,最终偏差为3326.51 MHz – 3324.89 MHz = 1.62 MHz。该结果可与表1中的静态测量 2.3 MHz/V比较。

  

  图2.ADF4350 VCO通过10kHz、0.6v p-p方波响应  电源调制的频谱分析仪曲线图

  在PLL系统中,较高的VCO推压意味着VCO电源噪声的增加倍数更大。为尽可能降低对VCO相位噪声的影响,需要低噪声电源。

  参考文献3和参考文献4提供了不同低压差调节器(LDO)如何影响PLL相位噪声的示例。例如,文献中对ADP3334和ADP150 LDO为ADF4350供电时的性能进行了比较。ADP3334调节器的集成均方根噪声为27 μV(40多年来,从10 Hz至100 kHz)。该结果可与ADF4350评估板上使用的LDO ADP150的9 μV比较。图3中可以看出已测量PLL相位噪声频谱密度的差异。测量使用4.4 GHz VCO频率进行,其中VCO推压为最大值(表1),因此属于最差情况结果。ADP150调节器噪声足够低,因此对 VCO噪声的贡献可以忽略不计,使用两节(假定“无噪声”)AA电池重复测量可确认这一点。

  

  图3.使用ADP3334和ADP150LDO对(AA电池)供电时ADF4350在4.4GHz下的相位噪声比较

  图3强调了低噪声电源对于ADF4350的重要性,但对电源或 LDO的噪声该如何要求呢?

  与VCO噪声类似,LDO的相位噪声贡献可以看成加性成分LDO(t), 如图4所示。再次使用VCO超额相位表达式得到:

  

  或者在频域中为:

  

  其中vLDO(f)是LDO的电压噪声频谱密度。

  1 Hz带宽内的单边带电源频谱密度SΦ(f)由下式得出:

  

  以dB表示时,用于计算电源噪声引起的相位噪声贡献的公式如下:

  

   (1)

  其中 L(LDO)是失调为f时,调节器对VCO相位噪声(以dBc/Hz表示)的噪声贡献; f; Kpushing是VCO推压系数,以Hz/V表示;vLDO(f)是给定频率偏移下的噪声频谱密度,以V/√Hz表示。

  

  图4.小信号加性vco电源噪声模型

  在自由模式VCO中,总噪声为 LLDO值加VCO噪声。以dB表示则为:

  

  例如,试考虑推压系数为10 MHz/V、在100 kHz偏移下测得相位噪声为–116 dBc/Hz的VCO:要在100 kHz下不降低VCO噪声性能,所需的电源噪声频谱密度是多少?电源噪声和VCO噪声作为方和根添加,因此电源噪声应比VCO噪声至少低6 dB,以便将噪声贡献降至最低。所以LLDO应小于–122 dBc/Hz。使用公式1,

  

  求解vLDO(f),

  在100 kHz偏移下,vLDO(f) = 11.2 nV/√

  给定偏移下的LDO噪声频谱密度通常可通过LDO数据手册的典型性能曲线读取。

  当VCO连接在负反馈PLL内时,LDO噪声以类似于VCO噪声的方式通过PLL环路滤波器进行高通滤波。因此,上述公式仅适用于大于PLL环路带宽的频率偏移。在PLL环路带宽内,PLL可成功跟踪并滤 LDO噪声,从而降低其噪声贡献。

  LDO滤波

  要改善LDO噪声,通常有两种选择:使用具有更少噪声的LDO,或者对LDO输出进行后置滤波。当无滤波器的噪声要求超过经济型LDO的能力时,滤波选项可能是不错的选择。简单的LC π 滤波器通常足以将带外LDO噪声降低20 dB(图5)。

  

  图5.用于衰减LDO噪声的LCπ滤波器

  选择器件时需要非常小心。典型电感为微亨利范围内(使用铁氧体磁芯),因此需要考虑电感数据手册中指定的饱和电流(ISAT), 作为电感下降10%时的直流电平。VCO消耗的电流应小于ISAT. 有效串联电阻(ESR) 也是一个问题,因为它会造成滤波器两端的IR压降。对于消耗300 mA直流电流的微波VCO,需要ESR小于0.33 ?的电感,以产生小于100 mV的IR压降。较低的非零ESR还可抑制滤波器响应并改善LDO稳定性。为此,选择具有极低寄生ESR的电容并添加专用串联电阻可能较为实际。上述方案可使用可下载的器件评估器如NI Multisim™在SPICE 中轻松实现仿真。

  电荷泵和滤波器

  电荷泵将鉴相器误差电压转换为电流脉冲,并通过PLL环路滤波器进行积分和平滑处理。电荷泵通常可在最多低于其电源电压(VP)0.5 V的电压下工作。例如,如果最大电荷泵电源为5.5 V,那么电荷泵只能在最高5 V输出电压下工作。如果VCO需要更高的调谐电压,则通常需要有源滤波器。有关实际PLL的有用信息和参考设计,请参见电路笔记CN-0174,5,处理高压的方式请参见利用高压VCO设计高性能锁相环,”6该文章发表于模拟对话第43卷第4期(2009)。有源滤波器的替代方案是使用PLL和针对更高电压设计的电荷泵,例如ADF4150HV ADF4150HV可使用高达30 V的电荷泵电压工作,从而在许多情况中省去了有源滤波器。

  电荷泵的低功耗使其看似颇具吸引力,可使用升压转换器从较低的电源电压产生高电荷泵电压,然而与此类DC-DC转换器相关的开关频率纹波可能在VCO的输出端产生干扰杂散音。高PLL杂散可能造成发射机发射屏蔽测试失败,或者降低接收机系统内的灵敏度和带外阻塞性能。为帮助指导转换器纹波的规格,使用图6的测量设置针对各种PLL环路带宽获得全面电源抑制曲线图与频率的关系。

  

  图6.测量电荷泵电源抑制的设置

  17.4 mV (–22 dBm)的纹波信号经交流耦合至电源电压,并在频率范围内进行扫描。在每一频率下测量杂散水平,并根据–22dBm输入与杂散输出电平间的差异(以dB表示)计算PSR。留在适当位置的0.1 μF和1 nF电荷泵电源去耦电容为耦合信号提供一定衰减,因此发生器处的信号电平增加,直至在各频率点下引脚上直接测得17.4 mV。结果如图7所示。

  在PLL环路带宽内,随着频率增加,电源抑制最初变差。随着频率接近PLL环路带宽,纹波频率以类似于基准噪声的方式衰减,PSR改善。该曲线图显示,需要具有较高开关频率(理想情况下大于1 MHz)的升压转换器,以便尽可能降低开关杂散。另外,PLL环路带宽应尽可能降至最低。

  1.3 MHz时, ADP1613就是一款合适的升压转换器。如果将PLL环路带宽设置为10 kHz,PSR可能达到大约90 dB;环路带宽为80 kHz时,PSR为50 dB。首先解决PLL杂散水平要求后,可以回头决定升压转换器输出所需的纹波电平。例如,如果PLL需要小于–80 dBm的杂散,且PSR为50 dB,则电荷泵电源输入端的纹波功率需小–30 dBm,即20 mV p-p。如果在电荷泵电源引脚附近放置足够的去耦电容,上述水平的纹波电压可使用纹波滤波器轻松实现。例如,100 nF去耦电容在1.3MHz时可提供20 dB以上的纹波衰减。应小心使用具有适当电压额定值的电容;例如,如果升压转换器产生18 V电源,应使用具有20V或更高额定值的电容。

  

  图7.ADF4150HF电荷泵电源抑制曲线图

  使用基于Excel的设计工具ADP161x.可以简化升压转换器和纹波滤波器的设计。图8显示用于5 V输入至20 V输出设计的用户输入。为将转换器级输出端的电压纹波降至最低,该设计选择噪声滤波器选项,并将VOUT纹波场设定为最小值。高压电荷泵的功耗为2 mA(最大值),因此OUT 为10 mA以提供裕量。该设计使用20 kHz的PLL环路带宽,通过ADF4150HV评估板进行测试。根据图7,可能获得约70dB的PSR。由于PSR极佳,此设置未在VCO输出端呈现明显的开关杂散(《 –110 dBm),即使是在省去噪声滤波器时。

  

  图8.ADP1613升压转换器EXCEL设计工具

  作为最终实验,将高压电荷泵的PSR与有源滤波器(目前用于产生高VCO调谐电压的最常见拓扑结构)进行比较。为执行测量,使用无源环路滤波器将幅度为1 V p-p的交流信号注入ADF4150HV的电荷泵电源(VP)与图6的测量设置相同。后以有源滤波器代替相等带宽的无源滤波器,重复相同的测量。所用的有源滤波器为CPA_PPFFBP1型,如ADIsimPLL所述(图9)。

  

  图9.ADlsimPLL中CPA_PPFFBP1滤波器设计的屏幕视图。

  为提供公平的比较,电荷泵和运算放大器电源引脚上的去耦相同,即10 μF、10 nF和10 pF电容并联。测量结果显示于图10中:与有源滤波器相比,高压电荷泵的开关杂散水平降低了40 dB至45 dB。利用高压电荷泵改善的杂散水平部分可解释为通过有源滤波器看到的环路滤波器衰减更小,其中注入的纹波在第一极点之后,而在无源滤波器中注入的纹波位于输入端

  

  图10.有源环路滤波器与高压无源滤波器的电源纹波电平

  最后一点:图1所示的第三电源电轨(分压器电源,AVDD/DVDD—与VCO和电荷泵电源相比具有较宽松的电源要求,因为PLL(AVDD)的RF部分通常是具有稳定带隙参考偏置电压的双极性ECL逻辑级,所以相对不受电源影响。另外,数字CMOS模块本质上对电源噪声具有更强的抵抗力。因此,建议选择(DVDD)能够满足此电轨电压和电流要求的中等性能LDO,并在所有电源引脚附近充分去耦;通常100 nF和10 pF并联就够了。

  结束语

  以上已讨论主要PLL模块的电源管理要求,并针对VCO和电荷泵电源推算出规格。ADI公司为电源管理和PLL IC提供多种设计支持工具,包括参考电路和解决方案,还有各种仿真工具,如ADIsimPLL和 ADIsimPower. 了解电源噪声和纹波对PLL性能的影响后,设计人员可以回头推算电源管理模块的规格,进而实现性能最佳的PLL设计。

关键字:锁相环  电源管理 编辑:探路者 引用地址:锁相环的电源管理设计

上一篇:如何利用前沿调制改善功率因数和电源性能
下一篇:电源管理的十年发展

推荐阅读最新更新时间:2023-10-17 15:12

有关电源管理的一些看法
  能量收集的概念已经出现超过 10 年了,然而在现实环境中,由环境能源供电的系统一直很笨重、复杂和昂贵。不过,有些市场已经成功地采用了能量收集方法,如交通运输基础设施、无线医疗设备、轮胎压力检测和楼宇自动化市场。尤其是在楼宇自动化系统中,诸如占位传感器、自动调温器甚至光控开关等,以前安装时通常使用的电源或控制配线,现在已经不需要了,取而代之的是,它们采用了局部能量收集系统。   能量收集系统的一个主要应用是楼宇自动化系统中的无线传感器。为方便说明,我们考虑一下美国能源使用的分布情况。建筑物每年都是能源生产的头号用户,约占总能耗的 38%,紧随其后的是交通运输和工业领域,各占总能耗的 28%。此外,建筑物可以进一步分成商用建筑和民
[电源管理]
有关<font color='red'>电源管理</font>的一些看法
TI-RTOS 2.12将高级电源管理能力引入互连与低功耗开发
    北京2015年4月10日电 /美通社/ -- 随着物联网 (IoT) 在日常用品中应用范围的逐步扩大,简化针对互连应用的软件开发变得越来越重要。德州仪器 (TI) (NASDAQ: TXN) 日前宣布了其整个实时操作系统 (RTOS) 的关键性升级。此次升级简化了基于嵌入式微控制器 (MCU) 的应用对于 Android 和 Windows 等高级操作系统内电源管理的使用性。因此,凭借TI-RTOS 2.12,开发人员可以轻松利用内置于 TI 器件的电源管理特性来创建具有更长电池使用寿命的 IoT 应用。为了在 TI 整个嵌入式处理产品组合中实现普及, TI-RTOS 2.12可进行免费升级,旨在帮助开发人员专注于实现应用差
[手机便携]
电源芯片超低静态电流延长MCU系统中电池寿命
2013 年 7 月 19 日,北京讯     日前,德州仪器 (TI) 宣布推出一款支持低至 100nA 超低总体系统静态电流的多模式电源管理单元 (PMU),其可最大限度降低基于微控制器的且由电池供电的水表、气表以及其它工业应用的功耗。该 TPS65290 PMU 可管理系统的所有电源需求,包括 100nA 至 500mA 的负载状况。     TPS65290 PMU 整合三个支持微控制器 (MCU) 睡眠模式的厂家可配置“常开”电源以及一个可从输入电压或升降压转换器选择电源的自动功能。此外,TPS65290 还能够与 TI 超低功率 MSP430F5328 等 MSP430 MCU 无缝工作。 TPS65290 的主
[电源管理]
电源芯片超低静态电流延长MCU系统中电池寿命
低噪声12 GHz微波小数N分频锁相环设计
电路功能与优势 该电路是低噪声微波小数N分频PLL的完整实现方案,以 ADF4156 作为核心的小数N分频PLL器件。使用 ADF5001 外部预分频器将PLL频率范围扩展至18 GHz。采用具有适当偏置和滤波的超低噪声 OP184 运算放大器驱动微波VCO,在12 GHz下可实现完全低噪声PLL,经测量积分相位噪声为0.35 ps rms。该功能通常用于产生本振频率(LO),适用于微波点对点系统、测试与测量设备、汽车雷达等应用和军事应用。 图1. 低噪声微波小数N分频PLL(简化示意图:未显示去耦和所有连接) 电路描述 图1显示的是电路的框图。该电路选择了Synergy Microw
[模拟电子]
USB电源解决方案
  为了简化从电池或USB电缆吸取功率的工作,凌力尔特公司提供了多款器件。这些器件可对AC适配器、USB 电缆和锂离子电池之间的功率流进行无缝管理,并维持与USB电源规范的相符性。当电池容量增加时,电池充电器必须通过稳定地提升效率来与之保持同步,以最大限度地减少热问题和充电时间。基于USB的电池充电器必须从USB获取尽可能多的功率,而且,为了满足当今功率密集型应用严格的空间和热约束条件,这种功率吸取过程必须高效地完成。   LTC3555把一个USB开关电源管理器和电池充电器与三个同步降压型稳压器和一个LDO整合在一起,以在一个小外形(4mm x 5mm)封装中提供一款完整的电源解决方案(图1)。这款恒定电流、恒定电压锂离子/聚
[嵌入式]
一种基于FPGA的锁相环位同步提取电路设计
   概述   同步是通信系统中一个重要的问题。在数字通信中,除了获取相干载波的载波同步外,位同步的提取是更为重要的一个环节。因为只有确定了每一个码元的起始时刻,才能对数字信息作出正确的判决。利用全数字锁相环可直接从接收到的单极性不归零码中提取位同步信号。   一般的位同步电路大多采用标准逻辑器件按传统数字系统设计方法构成,具有功耗大,可靠性低的缺点。用FPGA设计电路具有很高的灵活性和可靠性,可以提高集成度和设计速度,增强系统的整体性能。本文给出了一种基于fpga的数字锁相环位同步提取电路。    数字锁相环位同步提取电路的原理   数字锁相环位同步提取电路框图如图1所示。 图1 数字锁相环
[嵌入式]
一种基于FPGA的<font color='red'>锁相环</font>位同步提取电路设计
为您解析远程电源管理带来的好处
电源 插座也能远程管理了,不知大家是否听说过这样的电源插座。说起电源插座想必大家都很了解,它是我们日常生活中不可缺少的用电设备,在它的身上担负着及大安全责任。但是可以进行远程管理的电源插座,或许是第一次听说。 网络电源控制器为什么会如此受们的青睐。下面笔者将为您来解读网络电源控制器(PowerBox系列产品)究竟可以带给我们怎样的好处。我们以网络机房来举例。 好处一:突破传统的人工重启方式 传统的人工重启往往是等到服务器、交换机等用电设备出现了故障,不能正常供电,才由值班人员去查找故障所在,并进行简单的手动重启。这样势必耗费很多宝贵的时间,而且很多场合也是不允许的。频繁进出机房进行人工重启,不仅对机房恒温恒湿的环境造
[电源管理]
Zilker在香港成立亚洲分公司,瞄准电源管理应用
Zilker Labs宣布于香港成立亚洲分公司(Zilker Labs Asia, Ltd.);该子公司为一工程与业务办事处,将锁定该公司在亚洲地区日渐成长的客户群提供支持,并推广其Digital-DC电源管理及转换产品。 Zilker Labs的Digital-DC电源管理及转换IC,可提供数字化的可重组、控制及监控能力,并同时维持传统模拟产品的效率。该公司的单芯片解决方案则可藉由简单的硬件设定,针对不同应用范围进行重组,而无编程需求,可改善设计流程并加速嵌入式电子系统上市时程。
[焦点新闻]
小广播
最新电源管理文章
换一换 更多 相关热搜器件
电子工程世界版权所有 京B2-20211791 京ICP备10001474号-1 电信业务审批[2006]字第258号函 京公网安备 11010802033920号 Copyright © 2005-2024 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved