IC時(shí)鐘分配系統中的鎖相環(huán)

　　我們在本系列文章的前一部分[鏈接]已經(jīng)討論了鎖相環(huán)(PLL)的應用以及在時(shí)鐘分配系統中，PLL相對于傳統振蕩器的優(yōu)勢。接下來(lái)我們將會(huì )闡述基于PLL的時(shí)鐘分配系統的重要參數，這些參數都是設計時(shí)必須考慮的。例如，在實(shí)踐過(guò)程中，時(shí)鐘的準確時(shí)序對所有分配系統而言都非常重要。如果時(shí)鐘位置偏差范圍大，則可能會(huì )導致系統發(fā)生故障。時(shí)域中的這些偏差被稱(chēng)為“抖動(dòng)”。此外，抖動(dòng)又分多個(gè)類(lèi)別，譬如周期性抖動(dòng)、周期間抖動(dòng)、RMS抖動(dòng)、長(cháng)期抖動(dòng)以及相位抖動(dòng)。在本章節，我們將重點(diǎn)闡述“相位抖動(dòng)”，其在頻域中可被稱(chēng)之為“相位噪聲”。

相位噪聲與相位抖動(dòng)

　　相位噪聲與相位抖動(dòng)是時(shí)鐘分配系統的關(guān)鍵參數，因為時(shí)鐘信號的質(zhì)量在很大程度上取決于其相位噪聲與相位抖動(dòng)。數字I/O的最大速度受到時(shí)鐘時(shí)序誤差的限制。隨著(zhù)技術(shù)不斷進(jìn)步，對時(shí)序精確性的要求也越來(lái)越高，時(shí)鐘必須具有準確的邊緣和高穩定性。

　　理想情況下，時(shí)鐘邊緣與其預期位置之間不得存在偏差。但是在實(shí)踐過(guò)程中，時(shí)鐘源極易受到噪聲的影響，進(jìn)而導致時(shí)鐘邊緣偏離于理想位置。這就稱(chēng)之為抖動(dòng)?；赑LL的頻率合成器主要用于確保輸出頻率在規定工況下的準確度。其中一條關(guān)鍵要求就包括良好的相位噪聲和相位抖動(dòng)性能，在頻域中，相位噪聲就代表時(shí)鐘信號噪聲，而相位抖動(dòng)是時(shí)域的說(shuō)法，表示時(shí)鐘信號不穩定。時(shí)間與相位可互換使用，從而對抖動(dòng)與相位噪聲進(jìn)行量化。

　　系統中過(guò)多的抖動(dòng)會(huì )提高誤碼率，有可能超過(guò)系統級要求。射頻和A/D數據轉換應用需要采用相位噪聲非常低的時(shí)鐘。對于射頻應用，相位噪聲增加后，可能會(huì )產(chǎn)生通道間干擾，進(jìn)而削弱射頻信號質(zhì)量。對于A(yíng)DC應用，如果相位噪聲較高，可能會(huì )限制信噪比(SNR)，增加量化誤差。

　　相位噪聲現象是PLL設計人員目前所面臨的一個(gè)主要問(wèn)題。所有現實(shí)環(huán)境中的振蕩器和信號發(fā)生器均存在相位噪聲，但相位噪聲是不受歡迎的，因為它可能會(huì )導致傳統接收器中收到的信息失真或完全丟失。因此，必須了解和量化相位噪聲，從而最大限度地降低相位噪聲對較高層次產(chǎn)品的影響。

相位噪聲：

　　了解相位噪聲之前，我們首先來(lái)了解一下理想的正弦信號。正弦波是周期性模擬信號的基本形式。正弦信號可以表示為：

　　如圖1(a)所示，理想的正弦信號是單調波。這意味著(zhù)，理想的正弦信號只有一個(gè)頻率分量，其整個(gè)功率均在該分量之中。這一點(diǎn)可以通過(guò)傅里葉變換觀(guān)察到。然而，環(huán)境及/或信號源噪聲會(huì )導致信號的振幅和相位出現一定波動(dòng)。

　　通過(guò)傅里葉展開(kāi)，我們可以看到任何信號均可以分解成多個(gè)具有不同頻率和振幅的正弦信號。因此，傅里葉變換將顯示功率譜在多個(gè)頻率上分布。圖1(b)從時(shí)間和頻率兩個(gè)角度分別顯示了正弦信號。如果信號功率分布在一個(gè)頻帶上，這意味著(zhù)該信號攜帶多個(gè)不需要的頻率分量。

　　振蕩器的相位噪聲具有短期不穩定性，從頻域角度來(lái)描述是最好的，這樣可以通過(guò)測量中心頻率任一側的噪聲邊帶來(lái)顯示頻譜密度。在實(shí)踐中，大多數相位噪聲測量都會(huì )出現一條邊帶。如上所述，理想信號會(huì )精確按照載波頻率表現出單個(gè)脈沖，信號功率全部包含在該脈沖之中。對于實(shí)際信號，噪聲會(huì )導致功率在范圍較寬的頻帶上分布。

　　相位噪聲的單位一般采用dBc/Hz，1Hz帶寬載波在給定偏移頻率下產(chǎn)生的噪聲功率與載波功率之比即為相位噪聲。dBc是載波分貝的縮寫(xiě)，用于確定邊帶相位噪聲特性。

　　圖2顯示了非理想振蕩器的典型輸出頻譜。此頻譜顯示了1-Hz帶寬在偏移頻率為f0下的噪聲功率以及fc下的載波功率。

　　雖然圖2引入了雙邊帶這一概念，但在實(shí)踐中，大部分相位噪聲的測量都是利用單邊帶完成的。表達公式如下所示：

　　￡(f)=10log{P(f0)/P(fc)}