Giorgia祖凯利,MathWorks
使用Mixed-Signal Blockset™为商用现货的整数- n锁相环(PLL)建模,其双模预分频器工作在4GHz左右。验证这个锁相频率合成器的性能,包括相位噪声,锁定时间和工作频率。
首先使用在频域测量的相位噪声轮廓对压控振荡器建模。提供电荷泵可编程电流,三阶环路滤波器的规格,双模可编程预调节器的参数。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对一个商用现货的整数n锁相环进行建模,该锁相环具有工作在4GHz左右的双模预分频器。这个演示的目的是验证锁相环的性能,包括相位噪声。
为方便起见,您可以从商业设备的数据表开始。对于本例,您使用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的特征。这是造成锁相环相位噪声的主要因素。典型情况下VCO灵敏度KVCO为20MHz/V。
对于本例,您将模拟锁定在4GHz左右时的PLL行为。4GHz左右的VCO相位噪声分布图为:
@100kHz -105 dbc / Hz
@1MHz -131
@3MHz -142
@10MHz -152
为了加快仿真速度,忽略低频偏移处的相位噪声数据点。仿真将花费更长的时间来捕获接近载波的相位噪声剖面。
首先使用混合信号模块集中的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,您可以将其设置为一个足够接近工作频率的任意值。在本例中,您将其设置为4.2GHz。
您还可以指定与数据表提供的相位噪声剖面相同的相位噪声剖面。
您将VCO模型连接到VCO测试台,也来自混合信号块集。您可以自动填充设置和目标度量的测量参数。目标度量提供了预期的相位噪声轮廓,以便与仿真结果进行比较。测试台设置属性定义信号采样频率和测量分辨率带宽。
要加快模拟时间,可以将采样频率降低到锁定频率的4倍,即4*4GHz,并将频谱平均值减少到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是整数- n类型的,它使用了一个双模预分度器。数据表还提供了预分频器的设置。因此,您可以使用混合信号块集的整数- n锁相环体系结构模型和双模预分压器。
你打开锁相环块的掩码,并提供每个子系统的规格。对于PFD,数据表不提供任何细节,因此我们将死带补偿保留为其默认值。
对于电荷泵,数据表提供了2.7mA电流的典型值。在PLL模型中指定相同的值。
对于VCO,您将使用与上一步中验证过的相同规格。灵敏度为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。您还可以在刚才模拟的相同剖面中包含相位噪声。
对于锁相环锁定在4.2GHz时,使用任意参考振荡器工作在1.6MHz,您需要等分法器比等于:
4.2 e9/1.6e6 = 2625。
对于分频器,您使用16/17设置。为了达到预期的比率,您需要使用等于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的环路带宽、相位裕度和给定的滤波器结构开始设计环路滤波器的可能性。
在本例中,您手动提供筛选器实现的值。您可以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,并手动指定电阻和电容网络的相同值。这些值用于计算环路滤波器传递函数。
你验证闭环和开环性能的锁相环与环路滤波器的这个实现。由此得到的相位裕度是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种锁相环。
最后,通过对环路滤波器输出信号的探测和绘制,验证了锁相环锁的时域特性。
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。在这种情况下,我们使用频率为1.6MHz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。
数据表指定了1ms的锁定时间和1ppm的频率误差;也就是4.2千赫。你提供了相同的容错能力。
为了测量相位噪声,我们使用了与VCO类似的配置,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,您可以参考数据表中的锁定时间和在评估板上执行的闭环相位噪声测量。4.2GHz测得的相位噪声剖面为:
@100kHz -98 dbc / Hz
@1MHz -129
@10MHz -150
通过这个设置,您可以运行PLL模拟并验证性能。
在这种情况下,模拟需要几分钟。为了便于演示,我们快进到模拟的最后步骤。
为了加快模拟时间,可以放宽测量相位噪声的设置;例如,使用更大的分辨率带宽或减少平均光谱的数量。
您已经使用了混合信号块集来基于其数据表规范建模锁相环。您可以使用这样的模型,例如,探索和设计不同的环路滤波器,在不同的工作频率上使用锁相环,确定不同的分频比,或评估频率合成器的性能,一旦嵌入到一个更大的系统。例如,如果您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可能会很有帮助。
更多信息,请访问mathworks.com上的混合信号区块集产品页面。
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