使用包含相位噪声的数据表规范的锁相环设计和验证
使用混合信号块集™对一个商用现货整数n锁相环(PLL)进行建模,该锁相环具有工作在4GHz附近的双模预缩放器。验证该锁相环频率合成器的性能,包括相位噪声、锁定时间和工作频率。
首先使用频域测量的相位噪声剖面对VCO进行建模。提供电荷泵可编程电流,三阶环路滤波器的规格,双模可编程预刻度器的参数。在运行时域仿真之前,验证锁相环的闭环和开环性能。
这个例子展示了如何使用混合信号块集来建模一个商用现成的整数n锁相环,该锁相环具有工作在4GHz附近的双模预分频器。这个演示的目的是验证锁相环的性能,包括相位噪声。
为了方便起见,您可以从商用设备的数据表开始。在本例中,使用Skyworks SKY73134-11的数据表。这是一个工作在350MHz和6.2GHz之间的宽带锁相环频率合成器。
首先,检查数据表以确定VCO的特性。这是造成锁相环相位噪声的主要原因。典型情况下VCO灵敏度KVCO为20MHz/V。
对于本例,模拟锁定在4GHz附近时的PLL行为。4GHz附近的VCO相位噪声廓线为:
@100kHz -105 dbc / Hz
@1MHz -131
@3MHz -142
@10MHz -152
为了加速模拟,忽略较低频率偏移处的相位噪声数据点。模拟将需要更长的时间来捕获接近载波的相位噪声轮廓。
首先使用混合信号块集的VCO模型。使用数据表提供的相同值指定VCO灵敏度。由于没有提供自由运行频率,您可以将其设置为与工作频率足够接近的任意值。在本例中,将其设置为4.2GHz。
您还可以指定与数据表提供的相同的相位噪声配置文件。
也可以从混合信号块集将VCO模型连接到VCO测试台。您可以为设置和目标度量自动填充度量参数。目标指标提供了预期的相位噪声剖面,以便与仿真结果进行比较。测试台设置属性定义了信号采样频率和测量分辨率带宽。
为了加快模拟时间,可以将采样频率降低到锁定频率的4倍,即4*4GHz,并将频谱平均值的数量降低到4。
运行仿真,可以验证VCO模型重现了目标度量中指定的相位噪声剖面。
您可以继续建模完整的锁相环系统,并验证其相位噪声性能。从数据表中,您可以看到这个锁相环的类型是整数- n,它使用双模预估器。数据表还提供了预分频器的设置。因此,您可以使用具有混合信号块集的双模预分频器的整数- n锁相环体系结构模型。
您打开PLL块的掩码,并为每个子系统提供规范。对于PFD,数据表没有提供任何细节,因此我们保留死区补偿的默认值。
对于电荷泵,数据表提供了2.7mA电流的典型值。您可以在PLL模型中指定相同的值。
对于VCO,使用上一步验证的相同规格。灵敏度等于20MHz/V。您可以指定一个接近最终锁定频率的自由运行频率,例如,等于4.18GHz。你也包括相位噪声相同的轮廓刚刚模拟。
当使用工作在1.6MHz的任意参考振荡器时,为了使锁相环锁定在4.2GHz,你需要一个分频比等于:
4.2 e9/1.6e6 = 2625。
对于预缩放器,您使用16/17设置。为了达到预期的比例,你需要使用一个等于163的可编程计数器:
163 * 16 + 17 = 2625
混合信号块集锁相环模型提供了从所需环路带宽、相位裕量和给定滤波器架构开始设计环路滤波器的可能性。
在本例中,您需要手动为过滤器实现提供值。使用数据表中推荐的评估板原理图中提供的滤波器组件值,并手动为电阻和电容网络指定相同的值。这些值用于计算循环滤波器传递函数。
您可以使用这个循环过滤器的实现来验证锁相环的闭环和开环性能。得到的相位裕度为55度。你可以使用这个设置来设计不同的循环过滤器并验证你的设计;例如,在不同的工作频率上使用这个锁相环。
最后,为了验证锁相环的时域锁定行为,对环路滤波器的输出信号进行探测和绘制。
现在,您将锁相环连接到混合信号块集锁相环测试台,以验证其性能。
测试台定义用于测试锁相环的刺激。在本例中,我们使用1.6MHz频率的方波。
您可以设置测试台来测量工作频率、锁定时间和相位噪声。
数据表规定了1ms锁定时间与1ppm的频率误差;也就是说4.2千赫。您可以提供相同的容错能力。
对于测量相位噪声,我们使用与VCO相似的配置,但我们降低了分辨率带宽以获得更高的精度。
对于目标度量,您可以参考锁定时间和在评估板上执行的闭环相位噪声测量的数据表。在4.2GHz下测得的相位噪声分布为:
@100kHz -98 dbc / Hz
@1MHz -129
@10MHz -150
有了这个设置,您可以运行PLL模拟并验证性能。
在本例中,模拟需要几分钟时间。为了演示的好处,我们快进到模拟的最后步骤。
为了加快模拟时间,您可以放松测量相位噪声的设置;例如,使用更大的分辨率带宽或减少光谱平均的数量。
您已经使用混合信号块集来基于锁相环的数据表规范建模。例如,您可以使用这样的模型来探索和设计不同的循环滤波器,在不同的工作频率上使用锁相环,确定不同的分频比,或评估嵌入到更大的系统中的频率合成器的性能。例如,如果需要将锁相环集成到芯片上的系统或板上的系统中,混合信号块集锁相环模型是很有用的。
有关更多信息,请访问mathworks.com上的混合信号块集产品页面。
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