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LMX2531 整数杂散优化的案例分析

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摘要

LMX2531 系列产品被广泛应用于无线通讯基站系统,相比较整数分频,采用小数分频可以获得更好的相位噪声性能,但是小数分频会导致杂散问题,特别是整数边界杂散尤为突出。本文介绍一种在尽可能保证相位噪声性能的基础上,改善整数边界杂散达10dB。

小数分频器整数边界杂散问题的提出

相对于整数分频频率合成技术而言,小数分频频率合成技术通过较小的N 分频比进而产生一个较高的鉴相频率。在这其中,delta-sigma 小数分频技术得到最广泛的应用。根据下面的相位噪声公式1.1 得知,较小的分频N可以改善输出信号的相位噪声性能,这也是最近几年小数分频频率合成技术大行其道的魅力所在。

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在获得良好的相位噪声性能的基础上,小数分频技术的杂散相对于整数分频技术而言表现的更复杂。TI 公司Dean Banerjee 执笔的应用文档1879《Fractional N Frequency Synthesis》中对杂散的产生原理以及相应的处理对策有着非常详尽的阐述,这里就不再做过多的阐述。对于小数杂散中最为严重的整数边界杂散,文中对此的处理方式是频点规避,这种处理方式增加了射频本振在移动通讯基站中的应用复杂度。本文以业内广泛使用的LMX2531 系列为例,通过LMX25312080EVAL 评估板 ,结合设计仿真软件clock design tool 和寄存器配置软件codeloader4 ,针对整数边界杂散在原有的设计中进行优化设计,最终获得10dB 的改善。

小数分频器整数边界杂散的优化设计

图1 是利用clock design tool 软件设计出来的原始设计,环路带宽为11kHz,相位裕量为42.4 度。图2 是环路滤波器的拓扑结构,表1 是该电路的相位噪声和杂散实测结果

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1 LMX2531LQ2080 原始设计

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2 原始设计

相位噪声性能(RMS 的积分带宽为1kHz 到1MHz)

杂散

@1kHz

@10kHz

@100kHz

@1MHz

RMS

dBc@40kHz

-83.3

-85.8

-112.7

-135.9

0.627 度

-49

1 原始设计性能测试结果

当分子为1 或者FDEN-1 的杂散,即整数边界杂散,是所有杂散中最为恶劣的情况,特别是作为GSM 基站的发射本振,LMX2531 的这个杂散或者高次谐波杂散将会通过混频器或者IQ 调制器发射出去,不能满足发射谱模版要求。通过减小环路带宽从而加强对@40kHz 杂散的抑制,但过小的环路带宽会严重影响锁相环的锁定时间。

尝试改变与杂散相关的环路参量,发现减小鉴相频率会明显改善@40kHz 的杂散,在原始设计中不改变其他参量,减小鉴相频率以及相应的小数分母以保证分子为1 时仍输出1966.12MHz 信号。表2 是测试结果。

鉴相频率(MHz)

小数分频部分

环路带宽(kHz)

杂散(dBc)

30.72

1/768

11

-49

15.35

1/384

6.5

-55

7.68

1/192

4.1

-59

3.84

1/96

2.8

-61

1.92

1/48

1.9

-63

2 杂散测试结果

通过上述测试结果发现,整数边界杂散有了非常明显的改善。图3 是基于3.84MHz鉴相频率的重新设计优化设计,环路带宽为11.5kHz,相位裕量为39 度。

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3 整数边界杂散优化设计1

输出信号1966.12MHz信号的性能测试结果如表3 所示。

相位噪声性能(RMS 的积分带宽为1kHz 到1MHz)

杂散

@1kHz

@10kHz

@100kHz

@1MHz

RMS

dBc@40kHz

-79.4

-82.3

-111.9

-136.4

0.835 度

-58

3 优化设计1 的性能结果

为了满足10dB的杂散优化目标,再次重新设计图4 所示的参量,环路带宽为8kHz,相位裕量为43 度。

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4 整数边界杂散优化设计2

性能测试结果如表4 所示。

相位噪声性能(RMS 的积分带宽为1kHz 到1MHz)

杂散

@1kHz

@10kHz

@100kHz

@1MHz

RMS

dBc@40kHz

-81

-81.3

-113.8

-137.5

0.887 度

-59

4 优化设计2 的性能结果

小结

本文以LMX2531LQ2080E为例,提供了一种优化小数分数中最为恶劣的整数边界杂散, 而不是采用频率规避的方法。在付出了0.26 度相位噪声恶化的代价下,获得了高达10dB的整数边界杂散性能改善。当然降低电荷泵电流、减小环路带宽等方法也会适当改善整数边界杂散,但是通过实验验证发现,减小电荷泵电流改善的程度非常有限,而且小的电荷泵电流也会对相噪性能有着较大的影响;过窄的环路带宽会带来较长的环路锁定时间,对锁相环技术的应用有着限制作用。所以如果相位噪声性能要求不是异常苛刻的情况下,可以尝试较小的鉴相频率从而获得不错的杂散性能。

  1. 参考资料

1. lmx2531_datasheet.pdf

2. LMX2531LQ2080E Evaluation Board Operating Instructions

3. AN-1879 Fractional N frequency synthesis, Dean Banerjee

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