[资料] 如何设计并调试锁相环PLL

[复制链接]

工程师

发表于 2017-3-17 16:25:46   287 查看 1 回复 显示全部楼层 倒序浏览
分享
简介

设计并调试锁相环(PLL)电路可能会很复杂,除非工程师深入了解PLL理论以及逻辑开发过程。本文介绍PLL设计的简易方法,并提供有效、符合逻辑的方法调试PLL问题。

仿真

如果不在特定条件下进行仿真,则估计一个PLL电路的规格将会是十分困难的。因此,进行PLL设计的第一步应当是仿真。我们建议工程师使用ADIsimPLL软件运行基于系统要求的仿真,包括参考频率、步进频率、相位噪声(抖动)和频率杂散限制。

许多工程师面对如何选择参考频率会感到无所适从,但其实参考频率和输出频率步进之间的关系是很简单的。采用整数N分频PLL,则输出频率步进等于鉴频鉴相器(PFD)输入端的频率,该频率等于参考分频器R 分频后的参考频率。采用小数N分频PLL,则输出频率步进等于PFD输入频率除以MOD值,因此,您可以使用较高的参考频率,获得较小的频率步进。决定使用整数N分频或是小数N分频时,可牺牲相位噪声性能换取频率步进,即:较低的PFD频率具有更好的输出频率分辨率,但相位噪声性能下降。
例如,表1显示若要求具有固定频率输出以及极大的频率步进,则应首选整数N分频PLL(如ADF4106),因为它具有更佳的总带内相位噪声。相反,若要求具有较小的频率步进,则应首选小数N分频PLL(如ADF4153),因为它的总噪声性能优于整数N分频PLL。相位噪声是一个基本的PLL规格,但数据手册无法针对所有可能的应用指定性能参数。因此,先仿真,然后进行实际硬件的测试就变得极为关键。

表1. 相位噪声确定PLL 的选择
1.webp.jpg
甚至在真实条件下通过ADIsimPLL仿真PLL电路时,结果也可能是不够的,除非真实参考以及压控振荡器(VCO)的模型文件已包含在内。如果未包含在内,则仿真器将使用理想参考和VCO进行仿真。若要求高仿真精度,则花在编辑VCO和基准电压源库文件上的时间将会是值得的。

PLL使用与放大器类似的负反馈控制系统,因此环路带宽和相位裕量的概念此处依然适用。通常,环路带宽应设为PFD频率的十分之一以下,且相位裕量的安全范围为45°至60°。此外,应当进行针对真实电路板的仿真和原型制作,以便确认电路符合PCB 布局对寄生元件、电阻容差和环路滤波器电容的规格要求。

有些情况下,暂时没有合适的电阻和电容值,因此工程师必须确定是否能使用其他值。在ADIsimPLL的“工具”菜单中隐藏了一项小功能,为“BUILT”。该功能可将电阻和电容值转换为最接近的标准工程值,允许设计人员返回仿真界面,验证相位裕量和环路带宽的新数值。

寄存器
ADI PLL提供很多用户可配置选项,具有灵活的设计环境,但也会产生如何确定存储在每个寄存器中数值的难题。一种方便的解决方案是使用评估软件设置寄存器值,甚至PCB 未连接仿真器时也能这么做。然后,设置文件可保存为.stp 文件,或下载至评估板中。图1显示ADIsimPLL仿真结果,提供诸如VCO内核电流等参数的建议寄存器值。
2.webp.jpg

原理图和PCB 布局

设计完整PLL电路时,需牢记几点。首先,重要的是匹配PLL的参考输入端口阻抗,将反射降至最低。另外,保持电容与输入端口并联组合值尽量小,因为它会降低输入信号的压摆率,增加PLL环路噪声。更多详细信息请参考PLL数据手册上的输入要求。

其次,将模拟电源与数字电源相分离,最大程度减少它们之间的干扰。VCO 电源特别敏感,因此此处的杂散和噪声可轻易耦合至PLL 输出。再则,用于组成环路滤波器的电阻和电容应当放置在尽可能离PLL 芯片近的地方,并使用仿真文件中的建议值。若您在改变环路滤波器元器件值之后发现难以锁定信号,请尝试使用最初用于评估板的数值。

对于PCB 布局而言,其主要原则是将输入与输出分离,确保数字电路不会干扰模拟电路。例如,若SPI 总线太过靠近参考输入或VCO输出,则访问PLL 寄存器时,VCO输出会在PLL输出端产生杂散现象。

从热设计角度来看,可在PLL 芯片底下放置一个导热接地焊盘,确保热量流经焊盘,到达PCB和散热片。在极端环境下使用时,设计人员应计算PLL芯片和PCB的所有热参数。

有效利用MUXOUT

在调试阶段开始时,若PLL不锁定,则很难确定应当从何处开始。第一步,可以使用MUXOUT查看是否所有内部功能单元都正常工作,如图2 所示。例如,MUXOUT能显示R计数器输出,指示参考输入信号良好,且寄存器内容成功写入。MUXOUT还能检查检测器的锁定状态,以及反馈环路中的N分频输出。通过这种方法,设计人员可确定每个分频器、增益或频率值是否正确。这是调试PLL 的基本过程。
3.webp.jpg
图2. MUXOUT 引脚辅助PLL 进行调试

时域分析

调试PLL时,使用时域分析,演示写入串行外设接口(SPI)总线上的寄存器数据是正确的。虽然读写操作需要的时间比较长,但请确保SPI时序符合规格,且不同线路之间的串扰减小到最低程度。
应当参考PLL数据手册中的时序图,以便确定数据建立时间、时钟速度、脉冲宽度和其他规格。确保留有足够的裕量,以便在所有条件下都满足时序要求。使用示波器检查时域内的时钟和数据边沿位于正确位置。若时钟和数据线路太过接近,则串扰会使时钟能量通过PCB布线耦合至数据线路。这种耦合会导致数据线路在时钟的上升沿产生毛刺。因此,读写寄存器时需检查这两条线路,尤其当寄存器出现错误时。确保线路电压满足表2的规格。
4.webp.jpg

频谱分析
频域中的问题更常见、更复杂。如果使用频谱分析仪,则应当首先检查PLL输出是否锁定;如果波形具有稳定的频率峰值则表示锁定。如果未锁定,则应当遵循前文所述的步骤。

如果PLL已锁定,则收窄频谱分析仪带宽,以便确定相位噪声是否位于可接受范围内,并将测试结果与仿真结果对照确认。测量某些带宽条件下的相位噪声,如1kHz、10kHz和1MHz。

若结果与预期不符,则应首先回顾环路滤波器设计,检查PCB板上元器件的真实值。然后,检查参考输入的相位噪声是否与仿真结果一致。PLL仿真相位噪声应与真实值接近,除非外部条件有所不同,或向寄存器写入了错误值。

电源噪声不可忽略,哪怕使用了低噪声LDO;因为DC-DC转换器和LDO都可能成为噪声源。LDO数据手册显示的噪声频谱密度通常会影响噪声敏感型器件,比如PLL(见图3)。为PLL选择低噪声电源,特别是需要为VCO的内核电流提供电源。
5.webp.jpg
图3. LDO 噪声频谱密度

通常PLL的输出端会有四种类型的杂散:PFD 或参考杂散、小数杂散、整数边界杂散以及外部来源杂散,如电源。所有PLL都至少有一种类型的杂散,虽然永远无法消除这些杂散,但某些情况下,在不同类型的杂散或频率之间进行取舍,可以改进整体性能。

若要避免参考杂散,请检查参考信号的上升沿。边沿过快或边沿幅度过大都会对频域造成严重的谐波现象。另外,仔细检查PCB 布局,避免输入和输出之间产生串扰。

如需最大程度地减少小数杂散,可增加扰动,迫使小数杂散进入本底噪声中,但这样做会略为增加本底噪声。

整数边界杂散不常见,且仅当输出频率过于接近参考频率的整数倍时才会发生,此时环路滤波器无法将其滤除。解决该问题的简便方法是重新调节参考频率方案。例如,若边界杂散发生在1100MHz处,且输出为1100.1MHz,参考输入为20 MHz,则使用100kHz 环路滤波器将参考频率改为30MHz即可消除该杂散。

结论

调试PLL 要求对PLL具有深入的理解,并且如果在设计阶段格外仔细,就能避免很多问题。若问题发生在调试阶段,请遵循本文所述之建议,对问题逐一进行分析并逐步解决问题。

标签:智能

等待验证会员

发表于 2017-4-7 20:05:44  
楼主费心了,说的很详细
回复

点赞 举报

高级模式
您需要登录后才可以回帖 登录 | 注册

关闭

站长推荐 上一条 /9 下一条

快速回复 返回顶部 返回列表
-

推荐专区

技术干货集中营

专家问答

用户帮助┃咨询与建议┃版主议事

我的提问

工程师杂谈

工程师创意

工程师职场

论坛电子赛事

社区活动专版

发烧友活动

-

嵌入式论坛

ARM技术论坛

Android论坛

Linux论坛

单片机/MCU论坛

FPGA|CPLD|ASIC论坛

DSP论坛

嵌入式系统论坛

-

电源技术论坛

电源技术论坛

无线充电技术

-

硬件设计论坛

PCB设计论坛

电路设计论坛

电子元器件论坛

控制|传感

总线技术|接口技术

-

测试测量论坛

LabVIEW论坛

Matlab论坛

测试测量技术专区

仪器仪表技术专区

-

EDA设计论坛

multisim论坛

PADS技术论坛

Protel|AD|DXP论坛

Allegro论坛

proteus论坛|仿真论坛

EasyEDA-中国人自已的EDA工具

Orcad论坛

-

综合技术与应用

电机控制

智能电网

光电及显示

参考设计中心

汽车电子技术论坛

医疗电子论坛

-

开源硬件

-

无线通信论坛

无线通信技术专区

天线|RF射频|微波|雷达技术

-

IC设计论坛

芯片测试与失效分析

Mixed Signal/SOC[数模混合芯片设计]

Analog/RF IC设计

设计与制造封装测试

-

厂商专区

TI论坛

TI Deyisupport社区

-

检测技术与质量

电磁兼容(EMC)设计与整改

安规知识论坛

检测与认证

-

消费电子论坛

手机技术论坛

平板电脑/mid论坛

音视/视频/机顶盒论坛

-

电子论坛综合区

聚丰众筹官方社区

新人报道区

聚丰供应链

-

论坛服务区

-

供求信息发布

供需广告

招聘┃求职发布区

电子展览展会专区