相位噪声计算公式

Ｙ８４８８６４

锁相环电路的设计及相位噪声分析

ＤｅｓｉｇｎｏｆＰｈａｓｅＬｏｃｋｅｄＬｏｏｐＣｉｒｃｕｉｔａｎｄ

ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＰｈａｓｅＮｏｉｓｅ

（申请硕士学位）

学科专业：邀电王堂皇固笠电王堂

研究生：奎垃

指导教师：圭睦堑塑援

天津大学电子信息工程学院

二零零五年一月中文摘要

本论文设计了一个电荷泵锁相环电路，研究了其相位噪声特性并对该锁相环

进行了详细的模拟。该锁相环主要用于Ｍｃｕ中的时钟产生模块，其输出的时钟

信号占空比为５０％，频率为１２８ＭＨｚ，最高频率可以达到１９２ＭＨｚ，可以满足在

高速ＭＣＵ系列集成电路的要求。

设计中采用了自顶向下的方法，对电荷泵锁相环电路从系统级开始研究，逐

步过渡到晶体管级的模块的设计。首先，应用Ｍａｔｌａｂ数学工具以及ＶｅｒｉｌｏｇＡ语

言建立了锁相环系统的数学模型和行为级模型，对环路参数进行了优化。其次，在确定了模块的指标后，对每一个模块进行了详细的设计与模拟，包括基准源，

相位频率探测器（ＰＦＤ），电荷泵（ＣｈａｒｇｅＰｕｍｐ），低通滤波器（ＬＰＦ），电压控制振荡器（ＶＣＯ）和分频器（Ｄｉｖｉｄｅｒ）。然后，将模块组合成为系统后，分析了

系统在不同的工艺、温度和电源电压下的工作情况，从模拟结果可以看出，各个

模块以及整体锁相环电路的设计均达到了设计要求。最后，完成了版图的绘制与

验证工作并已交付Ｆｏｕｎｄｒｙ进行流片。另一方面，本论文还对ＶＣＯ以及锁相环系统相位噪声的基本理论进行了深

入的研究，利用Ｈａｊｉｍｉｒｉ提出的ＶＣＯ的相位噪声模型进行了预测，并与模拟结

果进行了对比分析，此外还应用了周期性小信号的分析方法对锁相环系统的相位

噪声进行了模拟与分析。

本论文的研究成果对于锁相环电路中的模块级设计与系统级设计，尤其是相

位噪声的分析与模拟均有很好的指导意义和参考价值。

关键词：

时钟产生锁相环电荷泵压控振荡器相位噪声ＡＢＳＴＲＡＣＴ

ＴｈｉｓｐａｐｅｒｉｓｆｏｃｕｓｅｄｏｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆａＣｈａｒｇｅＰｕｍｐＰＬＬ（ＰｈａｓｅＬｏｃｋｅｄＬｏｏｐ）

噪声系数的计算及测量方法

噪声系数(NF)是RF系统设计师常用的一个参数，它用于表征RF放大器、混频器等器件的噪声，并且被广泛用作无线电接收机设计的一个工具。许多优秀的通信和接收机设计教材都对噪声系数进行了详细的说明.

现在，RF应用中会用到许多宽带运算放大器和ADC，这些器件的噪声系数因而变得重要起来。讨论了确定运算放大器噪声系数的适用方法。我们不仅必须知道运算放大器的电压和电流噪声，而且应当知道确切的电路条件：闭环增益、增益设置电阻值、源电阻、带宽等。计算ADC的噪声系数则更具挑战性，大家很快就会明白此言不虚。

公式表示为：噪声系数NF=输入端信噪比/输出端信噪比，单位常用“dB”。

该系数并不是越大越好，它的值越大，说明在传输过程中掺入的噪声也就越大，反应了器件或者信道特性的不理想。

在放大器的噪声系数比较低的情况下，通常放大器的噪声系数用噪声温度(T)来表示。

噪声系数与噪声温度的关系为：T=(NF-1)T0 或 NF=T/T0+1 其中：T0-绝对温度(290K)

噪声系数计算方法

研究噪声的目的在于如何减少它对信号的影响。 因此，离开信号谈噪声是无意义的。

从噪声对信号影响的效果看，不在于噪声电平绝对值的大小，而在于信号功率与噪声功率的相对值，即信噪比，记为S/N(信号功率与噪声功率比)。 即便噪声电平绝对值很高，但只要信噪比达到一定要求，噪声影响就可以忽略。 否则即便噪声绝对电平低，由于信号电平更低，即信噪比低于1，则信号仍然会淹没在噪声中而无法辨别。 因此信噪比是描述信号抗噪声质量的一个物理量。

1 噪声系数的定义

要描述放大系统的固有噪声的大小，就要用噪声系数，其定义为

设Pi为信号源的输入信号功率，Pni为信号源内阻RS产生的噪声功率，Po和Pno分别为信号和信号源内阻在负载上所产生的输出功率和输出噪声功率,Pna表示线性电路内部附加噪声功率在输出端的输出。

 在射频和微波系统中，由于反射的普遍存在和理想开路、短路难以获得,

 低频电路中常用的电压和电流测量变得很不现实，因此功率的测量得到了广泛的应用

功率、增益、噪声和非线性是描述射频电路最常用的指标，有必要在涉及电路之前作一介绍。

功率单位简介

无线电波的发射功率是指在给定频段范围内的能量，通常有两种衡量或测量标准：

1、功率(W) : 相对1瓦（ Watts ）的线性水准。例如，WiFi

无线网卡的发射功率通常为0.036W，或者说36mW。

2、功率( dBm)：相对1毫瓦（ milliwatt ）的比例水准。例如 WiFi 无线网卡的发射功率为15.56dBm 。

两种表达方式可以互相转换：

1、dBm = 10 x log[ 功率 mW]

也可以用/里的一个mw与dBm在线转换器进行方便的转换

 绝对功率的dB表示

为了计算的方便，通信和微波工程中信号的功率或强度基本上用对数形式来表示。

1) dBm

dBm是一个表征功率绝对值的单位。 计算公式为：P(mw)dBm=10lg()1mw以为单位

例如信号功率为x W，利用dBm表示时其大小为：

X1000mwP(dBm)=10lg()1mw

[例1] 如果发射功率P为1mw，折算为dBm后为0dBm。

[例2] 对于40W的功率，按dBm单位进行折算后的值应为： 10lg（40W/1mw)=10lg（40000）=10lg4+10lg10+10lg1000=46dBm。

2）dBw

计算公式；x W，利用dBw表示时其大小为：

XwP(dBW)=10lg()1w

3）dBm与dBw的关系

例如：1W等于30dBm，等于0dBW。

 相对功率的dB表示

天线和天线增益

在无线系统中，天线是无线基站发送功率的最后一个射频部件，被用来把电流波转换成电磁波。如果向各个方向发射的能量都相等，则形成全向覆盖的全向天线，一般采用鞭状天线或螺旋天线。形成定向扇区的定向天线，在转换过程中还可以对发射和接收的信号进行“放大”， 通信中一般使用平板天线实现这种能量放大，由多个天线单元组成，形成比较高的天线增益。天线增益的度量单位用“dBi或dBd表示 ”。 dBi是指天线相对于无方向天线的功率能量密度之比，dBd是指相对于半波振子Dipole 的功率能量密度之比，半波振子的增益为2.15dBi，因此0dBd=2.15dBi。

MT-008

将振荡器相位噪声转换为时间抖动作者：Walt Kester

PHASENOISE(dBc/Hz)

fof"CLOSE-IN"PHASE NOISE

BROADBANDPHASE NOISE(LIMITS FREQUENCY RESOLUTION)

(REDUCES SNR)1Hz BW

fm

Rev.A, 10/08, WK Page 1 of 10指南

简介为实现高信噪比(SNR)，ADC的孔径抖动必须很低(参见参考文献1、2和3)。目前可提供孔径抖动低至60 fs rms的ADC(AD9445 14位125 MSPS和AD9446 16位100 MSPS)。为了避免降低ADC的性能，必须采用抖动极低的采样时钟，因为总抖动等于转换器内部孔径抖动与外部采样时钟抖动的方和根。然而，用于产生采样时钟的振荡器常常用相位噪声而非时间抖动来描述特性。本文的目的就是提出一种简单的方法来将振荡器相位噪声转换为时间抖动。相位噪声定义首先明确几个定义。图1所示为一个非理想振荡器(即时域中存在抖动，对应于频域中的相位噪声)的典型输出频谱。频谱显示，1 Hz带宽内的噪声功率与频率成函数关系。相位噪声定义为额定频率偏移fm下的1 Hz带宽内的噪声与频率fO下的振荡器信号幅度之比。

图1：受相位噪声影响的振荡器功率频谱

MT-008

IDEALADCANALOGINPUT, foDSP

fsfo

fsfoIDEAL SINEWAVEINPUT

SAMPLING CLOCKWITH PHASE NOISEFFT OUTPUTSNR

FOR IDEAL ADCWITH N →∞N→∞

(MEASURED FROM DC TO fs/2)CLOSE-INBROADBANDSNR = 20log1012πfotjf

ff

Page 2 of 10 采样过程基本上是采样时钟与模拟输入信号的乘法。这是时域中的乘法，相当于频域中的卷积。因此，采样时钟振荡器的频谱与输入进行卷积，并显示在纯正弦波输入信号的FFT输出上(见图2)。