ZHCAEG1 August 2024 LMX2492 , LMX2572 , LMX2594 , LMX2595 , LMX2615-SP , LMX2820
引言
TI 合成器以整数和分数模式运行。本应用简报重点介绍锁相环 (PLL) 运行的分数模式。输出端的大多数杂散均在 TI 开发的 PLLatinum Sim 工具中进行建模。
图 1 展示了 LMX2820 PLL 方框图，其中包括 ΔΣ 调制器，也称为 MASH。
图 1 LMX2820 的功能方框图在分数模式运行期间，ΔΣ 调制器处于启用状态。ΔΣ 调制器的输出会改变反馈分频值。ΔΣ 调制器输出端的变化范围取决于调制器阶数。图 2 展示了 MASH 引擎和 MASH_SEED 的位置。
图 2 ΣΔ 调制器 (MASH) 的 MASH_SEED 位置方框图
图 3 PLL 中可能存在的各种杂散（在 PLLatinum Sim 工具中建模）
图 4 PLLatinum Sim 中的 MASH 图形导出选项对于特定的分数输入和 MASH_SEED，PLLatinum Sim 工具会预测 MASH 输出的图形并对其进行建模。如图 4 中所示，从 PLLatinum Sim 工具导出图形。下载的 Excel 杂散表中的 X 列提供了序列。
分数模式
分数模式：NUM/DEN 为非零。MASH 运行有多个阶。本应用简报涵盖以下主题：
- 一阶：杂散位置示例。
- 二阶：MASH_SEED 对杂散的影响和优化的示例。
- 二阶与三阶和杂散优化：两个示例。
- 三阶：分母 (PLL_DEN) 偏移 1。
- 有关 MASH_SEED 选择的更多指南
一阶
如下面的图 5 所示，一阶 MASH 给出 20MHz 处的 IBS（整数边界杂散），幅度为 -62.1dBc/Hz。可以优化该杂散幅度，如应用简报的其余部分所示。
图 5 PLLatinum Sim 展示一阶杂散位置二阶
检查 PLLatinum Sim 工具，观察更改 MASH_SEED 如何改变杂散位置。图 6 和图 7 展示了 PLLatinum Sim 工具快照，详细说明了 MASH_SEED 更改对杂散的影响。用户如何知道将哪个 MASH_SEED 用于特定配置？图 7 中的红色框突出显示了根据用户的优化需求生成种子的选项。一旦 PLLatinum 完成优化，底部会显示一条通知，如图 7 所示。当 MASH_ORDER 从一阶更改为二阶时，20MHz 处的 IBS 杂散从 -62.1dBc/Hz (图 5) 降至 -73dBc/Hz (图 6)。
图 6 MASH_SEED 为 0
图 7 MASH_SEED 为 100
图 8 MASH_SEED 为 0
图 9 MASH_SEED 为 10020MHz 偏移处的 IBS（整数边界杂散）不受 MASH_SEED 变化的影响。
当使用 MASH_SEED 优化时，10MHz 处由 MASH 生成的次分数杂散 (0.5×Fpfd/DEN=0.5×(200M/10)) 会减少。如上面的图 8 和图 9 所示，当 MASH_SEED 从 0 更改为 100 时，10MHz 处的主要次分数杂散从 -57dBc/Hz 降至 -65.9dBc/Hz。PLLatinum Sim 工具预测 MASH_SEED 为 100 时次分数杂散消失，但在器件中，主要次分数杂散降低了 9dBC/Hz。因此，PLLatinum Sim 工具的预测方向是与器件相匹配。
二阶与三阶和杂散优化的两个示例
示例 1
以下各图显示了 6.42GHz 处的二阶与三阶杂散优化：
图 10 二阶（器件 PN 图）
图 11 二阶（PLLatinum Sim 设置快照）
图 12 三阶（器件 PN 图）
图 13 三阶（PLLatinum Sim 设置快照）三阶 MASH 可以改善二阶 MASH 的杂散，如图 12 和图 10 所示。当 MASH_ORDER 从二阶更改为三阶时，PLLatinum Sim 预测了 10MHz 幅度下的次分数杂散从 -62.8dBc/Hz 降低到 -80dBc/Hz（改变了 17.2dBc/Hz）。器件显示从 -59dBc/Hz 更改为 -73dBc/Hz（更改了 14dBc/Hz）。
减少杂散的另一个选择是降低电荷泵的增益。我们在 PLLatinum Sim 工具中可看到，当电荷泵增益从 15.4mA 更改为 4.2mA 时，这些偏移处的滚降所呈现的效果。
图 14 10MHz 偏移处的滚降值（电荷泵增益为 15.4mA）图 14 和图 15 展示了由于电荷泵增益而导致的滚降变化。
PLLatinum Sim 工具中显示滚降（10MHz 偏移）存在 ≅11dB 的变化。图 16 展示了电荷泵增益降低至 4.2mA 时的器件结果。比较 图 16 (-74dBc/Hz) 和 图 12 (-84dBc/Hz) 之间的次分数杂散 (10MHz)，可知其变化接近 10dBc/Hz。这与 PLLatinum Sim 工具的预测非常接近。
图 15 10MHz 偏移处的滚降值（电荷泵增益为 4.2mA）
图 16 电荷泵增益降低后的三阶（器件 PN 图）示例 2 (6.02GHz)
下面的图 17 和图 19 展示了 6.02GHz 处二阶与三阶和杂散优化的器件图比较。
图 17 二阶 MASH（器件 PN 图）
图 18 二阶 MASH（PLLatinum Sim 设置快照）
图 19 三阶 MASH（器件 PN 图）
图 20 三阶（PLLatinum Sim 设置快照）对于示例 2，当 MASH_ORDER 从二阶移到三阶时，PLLatinum Sim 工具（图 18 和图 20）预测 10KHz 处次分数杂散的杂散幅度变化 ≅17dBc/Hz（-62dBc/Hz 至 -79.3dBc/Hz）。器件显示杂散幅度变化为 -15dBc/Hz（-57.47dBc/Hz 至 -72.66dBc/Hz）。
电荷泵的增益降至 4.2mA，对相位噪声的影响如图 21 所示。使用该选项时，请确保相位裕度大于 45 度。
图 21 电荷泵增益降低后的三阶 MASH（器件 PN 图）另一种可以减少杂散的方法如图 22 所示。使用更大的非等效分数是减少杂散的有效方法。与图 21 相比，图 22 中的杂散幅度较小。
图 22 电荷泵增益减小且分数略有变化时的三阶 MASH（器件 PN 图）在三阶中，分母偏移 1，如图 23 所示。
图 23 分数更改设置分母轻微变化对杂散影响的另一个示例：
- PLL_NUM/PLL_DEN = 1510000/36000000，然后设置 MASH_SEED = 1
- PLL_NUM/PLL_DEN = 1510000/36000001，然后设置 MASH_SEED = 0
下面的图 24、图 25、图 26 展示了上面所示情况的相位噪声图。与没有偏移且 MASH_SEED 为 1 的情况相比，将分母偏移 1 可获得更好的改进。
图 24 三阶，MASH_SEED 为 0 且 PLL_NUM/PLL_DEN = 1510000/36000000
图 25 三阶，MASH_SEED 为 1 且 PLL_NUM/PLL_DEN = 1510000/36000000
图 26 三阶，MASH_SEED 为 0 且 PLL_NUM/PLL_DEN = 1510000/36000001使用较大的非等效分数是减少杂散的有效方法。如果用户不想得到不精确的输出频率，请使用 MASH_SEED = 1，但 MASH_SEED = 1 不如较大的非等效分数那么有效。
更改 MASH_SEED 时要注意的点：
-
为了减少杂散，没有必要使种子大于 (PLL_DEN) - 1
- 如果 MASH_SEED 是 PLL_DEN 的倍数，则 MASH_SEED 与 MASH_SEED = 0 相同，例如如果 PLL_DEN = 10 且 MASH_SEED = 100，则没有影响
-
MASH_SEED Mod PLL_DEN 的影响。例如，如果分数为 3/10，则 MASH_SEED = 1, 11, 21, 31, … 10n+1, … 均具有相同的影响
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如果 MASH_SEED = 0，则简化分数
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如果 MASH_SEED = 0，则分数 (PLL_NUM/PLL_DEN) 10/100 与 1/10 的频谱相同；但如果 MASH_SEED=1，则不相同
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更多杂散优化选项
在参考路径中使用预分频器和乘法器来更改杂散偏移位置。
其他资源
- 德州仪器 (TI)，时间就是一切：改善分数 PLL 合成器中的整数边界杂散 技术文章
- Dean Banerjee，PLL Performance, Simulation, and Design, 5th Edition, Chapters 20 and 21
- 德州仪器 (TI)，PLLATINUMSIM-SW 仿真器工具，软件支持