Có nhiều phương pháp phần mềm được sử dụng để dự đoán hiệu suất nhiễu pha cho bộ tổng hợp tần số PLL, nhưng phương pháp đồ họa này cung cấp cái nhìn sâu sắc và hiểu biết thực sự về những tác nhân chính gây ra nhiễu.

Vì nhiễu pha là một thông số hiệu suất quan trọng đối với bộ tổng hợp tần số nên điều quan trọng là phải thiết lập cấu trúc ban đầu cho bộ tổng hợp có tính đến hiệu suất nhiễu pha.

Phân tích đồ họa làm nổi bật các khu vực đóng góp chính cho phép giải quyết chúng, bằng cách thay đổi khu vực đó của mạch hoặc áp dụng cấu trúc mạch tổng hợp tần số khác.

Tiếng ồn pha trong bộ tổng hợp PLL

Nhiễu pha được tạo ra tại các điểm khác nhau xung quanh vòng lặp tổng hợp và tùy thuộc vào vị trí phát ra, nó ảnh hưởng đến đầu ra theo những cách khác nhau. Ví dụ, nhiễu do VCO tạo ra có tác động khác với nhiễu do bộ tách pha tạo ra. Điều này minh họa rằng cần phải xem xét hiệu suất nhiễu của từng khối mạch trong vòng lặp khi thiết kế tổng hợp để đạt được hiệu suất nhiễu tốt nhất.

Ngoài việc đảm bảo tiếng ồn từ mỗi phần của mạch được giảm đến mức tối thiểu, bộ lọc vòng lặp còn có tác động lớn nhất đến hiệu suất cuối cùng của mạch vì nó xác định tần số ngắt mà tiếng ồn từ các phần khác nhau của mạch bắt đầu ảnh hưởng đến đầu ra.

Để hiểu rõ hơn điều này, hãy lấy ví dụ về nhiễu từ VCO. Nhiễu từ bộ dao động được chia bởi chuỗi chia và xuất hiện tại bộ tách pha. Ở đây, nhiễu xuất hiện dưới dạng nhiễu động nhỏ trong pha của tín hiệu và xuất hiện ở đầu ra của bộ tách pha. Khi bộ lọc vòng lặp hoạt động, chỉ những tần số thấp hơn điểm cắt của nó mới xuất hiện tại đầu cuối điều khiển của VCO để hiệu chỉnh hoặc loại bỏ nhiễu. Từ đó, có thể thấy nhiễu VCO nằm trong băng thông vòng lặp bị suy giảm, nhưng nhiễu nằm ngoài băng thông vòng lặp vẫn được giữ nguyên.

Tình hình hơi khác một chút đối với nhiễu do tín hiệu tham chiếu tạo ra. Tín hiệu này đi vào bộ tách sóng pha và lại đi qua bộ lọc vòng, nơi các thành phần dưới tần số cắt được cho phép đi qua và xuất hiện trên đầu cực điều khiển của VCO. Tại đây, chúng thêm nhiễu vào tín hiệu đầu ra. Vì vậy, có thể thấy nhiễu từ tín hiệu tham chiếu được thêm vào tín hiệu đầu ra trong phạm vi băng thông vòng lặp nhưng bị suy giảm bên ngoài phạm vi này.

Các lập luận tương tự có thể được áp dụng cho tất cả các khối mạch khác trong vòng lặp. Trên thực tế, khối duy nhất khác thường có tác động đáng kể là bộ dò pha và nhiễu của nó ảnh hưởng đến vòng lặp theo cùng một cách như nhiễu từ nguồn tham chiếu. Ngoài ra, nếu sử dụng bộ tổng hợp đa vòng lặp, các lập luận tương tự có thể được sử dụng lại.

Sự nhân lên của tiếng ồn pha trong bộ tổng hợp

Vì nhiễu được tạo ra tại các điểm khác nhau xung quanh vòng lặp, nên cần phải tìm hiểu xem nhiễu này ảnh hưởng như thế nào đến đầu ra. Do đó, cần phải liên hệ tất cả các hiệu ứng này với VCO. Bên cạnh các yếu tố khác nhau trong vòng lặp ảnh hưởng đến nhiễu ở đầu ra theo những cách khác nhau, hiệu ứng của phép nhân trong vòng lặp cũng có tác động nhất định.

Hiệu ứng nhân rất quan trọng. Kết quả cho thấy mức nhiễu pha từ một số vùng tăng lên theo hệ số nhân (tức là tỷ số giữa tần số đầu ra cuối cùng và tần số so sánh pha). Trên thực tế, mức nhiễu pha tăng lên gấp 20 lần log10 N, trong đó N là hệ số nhân. VCO không bị ảnh hưởng bởi điều này, nhưng bất kỳ nhiễu nào từ bộ tham chiếu và bộ dò pha đều bị suy giảm ở mức độ này. Ngay cả tín hiệu tham chiếu rất tốt cũng có thể là nguồn nhiễu chính nếu hệ số nhân cao. Ví dụ, một vòng lặp có bộ chia được đặt thành 200 sẽ nhân nhiễu của bộ tham chiếu và bộ dò pha lên 46 dB.

Từ thông tin này, có thể xây dựng một bức tranh về hiệu suất của bộ tổng hợp. Nhìn chung, nó sẽ trông giống như phác thảo trong Hình 6. Từ đó, có thể thấy rằng nhiễu bên trong băng thông vòng lặp chủ yếu là do các thành phần như bộ dò pha và tham chiếu, trong khi bên ngoài vòng lặp, VCO tạo ra nhiễu. Nhìn chung, có một gờ nhỏ xuất hiện tại điểm bộ lọc vòng lặp bị ngắt và độ lợi vòng lặp giảm xuống còn 1.

Bằng cách dự đoán hiệu suất của vòng lặp, chúng ta có thể tối ưu hóa hiệu suất hoặc xem xét các điểm cần được xử lý để cải thiện hiệu suất của toàn bộ bộ tổng hợp trước khi vòng lặp được xây dựng. Để phân tích vòng lặp sâu hơn, cần phải xem xét từng khối mạch một.

Tiếng ồn pha dao động điều khiển bằng điện áp

Hiệu suất nhiễu của bộ dao động có tầm quan trọng đặc biệt. Điều này là do hiệu suất nhiễu của bộ tổng hợp bên ngoài vòng lặp hoàn toàn phụ thuộc vào hiệu suất của nó. Ngoài ra, hiệu suất của nó có thể ảnh hưởng đến các quyết định về các khu vực khác của mạch.

Đường viền nhiễu điển hình của VCO là phẳng ở các độ lệch tần số lớn so với sóng mang. Đường viền nhiễu này được xác định phần lớn bởi các yếu tố như hệ số nhiễu của thiết bị chủ động. Hiệu suất của vùng hoạt động này của bộ dao động có thể được tối ưu hóa bằng cách đảm bảo mạch hoạt động trong điều kiện hiệu suất nhiễu tối ưu. Một cách tiếp cận khác là tăng mức công suất của mạch để cải thiện tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu.

Càng gần, tiếng ồn càng tăng, ban đầu với tốc độ 20 dB mỗi thập kỷ. Điểm bắt đầu tăng này chủ yếu được xác định bởi Q của mạch dao động. Một mạch Q cao sẽ đảm bảo hiệu suất tiếng ồn tốt. Đáng tiếc là VCO vốn có Q thấp do Q của các varactor điều chỉnh thường được sử dụng. Hiệu suất có thể được cải thiện bằng cách tăng Q, nhưng điều này thường dẫn đến giảm phạm vi phủ sóng của bộ dao động.

Càng tiến sâu hơn về phía sóng mang, mức nhiễu bắt đầu tăng nhanh hơn nữa với tốc độ 30 dB mỗi thập kỷ. Điều này là do hiện tượng nhấp nháy hoặc nhiễu 1/f. Có thể cải thiện điều này bằng cách tăng mức phản hồi tần số thấp trong mạch dao động. Trong mạch lưỡng cực tiêu chuẩn, một điện trở nhỏ không được bỏ qua trong mạch phát có thể mang lại những cải thiện đáng kể.

Để có thể đánh giá hiệu suất của toàn bộ vòng lặp, cần phải đánh giá hiệu suất của bộ dao động sau khi nó đã được thiết kế và tối ưu hóa. Mặc dù có một số phương pháp để đạt được điều này, nhưng phương pháp thành công nhất thường là đặt bộ dao động vào một vòng lặp có băng thông hẹp và sau đó đo hiệu suất của nó bằng máy phân tích phổ. Bằng cách giữ bộ dao động ổn định, điều này có thể đạt được tương đối dễ dàng. Tuy nhiên, kết quả chỉ có giá trị bên ngoài băng thông của vòng lặp. Tuy nhiên, vòng lặp thử nghiệm có thể có băng thông hẹp hơn nhiều so với vòng lặp được thiết kế, mức nhiễu trong khu vực quan tâm sẽ không thay đổi.

Tiếng ồn pha tham chiếu

Hiệu suất nhiễu của tham chiếu tuân theo cùng một phác thảo như của VCO, nhưng hiệu suất đương nhiên tốt hơn nhiều. Lý do là Q của tinh thể cao hơn nhiều bậc so với mạch điều chỉnh trong VCO.

Thông thường, có thể đạt được các giá trị -110 dBc/Hz ở tần số 10 Hz từ sóng mang và 140 dBc/Hz ở tần số 1 kHz từ lò tinh thể. Các giá trị này khá phù hợp cho hầu hết các ứng dụng. Nếu cần mức nhiễu tham chiếu thấp hơn, có thể đạt được, nhưng phải trả phí. Trong trường hợp cần hệ số nhân lớn, nhiễu tham chiếu thấp có thể là lựa chọn duy nhất. Tuy nhiên, do chi phí cao, nên tránh sử dụng chúng bất cứ khi nào có thể. Biểu đồ mức nhiễu pha điển hình thường có sẵn với lò tinh thể, cung cấp hướng dẫn chính xác về mức nhiễu pha do nhiễu tham chiếu tạo ra.

Tiếng ồn pha của bộ chia tần số tổng hợp

Nhiễu bộ chia xuất hiện trong băng thông vòng lặp. May mắn thay, mức nhiễu tạo ra trong bộ chia thường khá thấp. Nếu cần phân tích, người ta sẽ thấy nhiễu được tạo ra tại các điểm khác nhau trong bộ chia, mỗi điểm sẽ chịu một hệ số nhân khác nhau tùy thuộc vào vị trí nhiễu được tạo ra trong bộ chia và tỷ lệ chia được sử dụng từ điểm đó.

Hầu hết các chuỗi phân chia đều sử dụng nhiều bộ chia và nếu cần phân tích gần đúng, có thể thuận tiện hơn nếu chỉ xem xét thiết bị hoặc các thiết bị cuối cùng trong chuỗi vì chúng sẽ góp phần gây nhiễu nhiều nhất. Tuy nhiên, nhiễu thường khó đo lường và sẽ được phát hiện cùng với nhiễu do bộ dò pha tạo ra.

Tiếng ồn của bộ dò pha tổng hợp

Giống như tín hiệu tham chiếu, hiệu suất của bộ tách sóng pha rất quan trọng trong việc xác định hiệu suất nhiễu trong băng thông vòng lặp. Có nhiều loại bộ tách sóng pha khác nhau. Hai loại chính là analog và kỹ thuật số.

Bộ trộn được sử dụng để cung cấp các bộ tách sóng pha tương tự. Nếu muốn tỷ lệ tín hiệu đầu ra trên nhiễu càng tốt càng tốt thì cần đảm bảo mức tín hiệu đầu vào càng cao càng tốt trong giới hạn hoạt động của bộ trộn. Thông thường, tín hiệu đầu vào có thể được giới hạn ở khoảng -10 dBm và đầu vào bộ dao động cục bộ ở mức +10 dBm. Trong một số trường hợp, bộ trộn mức cao hơn có thể được sử dụng với mức dao động cục bộ là +17 dBm hoặc cao hơn. Bộ trộn cũng nên được chọn có tỷ số nhiệt độ nhiễu (NTR) thấp. Vì đầu ra được ghép nối DC nên cần có điện trở tải đầu ra thấp để ngăn ngừa hiện tượng phân cực ngược phát triển. Điều này có thể làm giảm hoạt động của bộ trộn và làm giảm hiệu suất nhiễu của nó.

Có thể tính toán hiệu suất nhiễu lý thuyết của bộ trộn trong điều kiện tối ưu. Một bộ trộn analog có thể tạo ra mức nhiễu khoảng -153 dBc/Hz.

Có nhiều loại bộ dò pha kỹ thuật số có thể được sử dụng. Về lý thuyết, chúng cho hiệu suất nhiễu tốt hơn so với bộ dò tương tự. Trong điều kiện tốt nhất, một loại cổng OR đơn giản sẽ cho kết quả tốt hơn khoảng 10 dB so với bộ dò tương tự, và loại kích hoạt cạnh (ví dụ loại D kép hoặc tương tự) sẽ cho hiệu suất tốt hơn khoảng 5 dB so với bộ dò tương tự.

Những con số này là giá trị tối ưu lý thuyết và nên được coi là hướng dẫn mặc dù chúng đủ để ước tính độ nhiễu ban đầu. Trên thực tế, các yếu tố khác có thể khiến các con số này khác nhau. Nhiều yếu tố, bao gồm nhiễu nguồn điện, bố trí mạch, v.v., có thể làm giảm hiệu suất so với lý tưởng. Nếu cần các phép đo rất chính xác, kết quả từ lần sử dụng mạch trước đó hoặc từ một vòng lặp thử nghiệm đặc biệt có thể cung cấp kết quả mong muốn.

Hiệu ứng bộ lọc vòng lặp trên nhiễu pha

Có nhiều thông số khác nhau trong phạm vi bộ lọc vòng lặp ảnh hưởng đến hiệu suất nhiễu của vòng lặp. Điểm gãy của bộ lọc và điểm khuếch đại đơn vị của vòng lặp do bộ lọc xác định sẽ chi phối cấu hình nhiễu.

Về mặt đóng góp vào nhiễu trong vòng lặp, nguồn nhiễu chính có thể xảy ra nếu sử dụng bộ khuếch đại thuật toán. Trong trường hợp này, phải sử dụng loại nhiễu thấp, nếu không bộ lọc sẽ đóng góp đáng kể vào biên dạng nhiễu pha của vòng lặp. Nhiễu này thường được xem là kết hợp với nhiễu từ bộ tách pha, làm giảm hiệu suất của bộ tách pha so với lý tưởng.

Biểu đồ hiệu suất nhiễu pha tổng hợp

Sau khi phân tích các thành phần nhiễu từ mỗi phần tử trong vòng lặp, ta có thể hình dung được hiệu suất hoạt động của toàn bộ vòng lặp. Mặc dù việc này có thể được thực hiện bằng toán học, nhưng một phương pháp đồ họa đơn giản sẽ nhanh chóng cho thấy ước tính hiệu suất và chỉ ra các yếu tố chính góp phần gây nhiễu. Bằng cách này, ta có thể thiết kế lại một chút trước khi xây dựng thiết kế, cho phép lựa chọn phương án tốt nhất trên bản vẽ. Tất nhiên, sau khi xây dựng xong, có thể cần một số tối ưu hóa, nhưng phương pháp này cho phép thiết kế được thực hiện càng sát càng tốt trước đó.

Trước tiên, cần phải có được đáp ứng vòng lặp. Điều này phụ thuộc vào nhiều yếu tố bao gồm độ lợi xung quanh vòng lặp và đáp ứng của bộ lọc vòng lặp. Để ổn định, độ lợi vòng lặp phải giảm với tốc độ 20 dB mỗi thập kỷ (6 dB mỗi quãng tám) tại điểm độ lợi đơn vị. Nếu tiêu chí này được đáp ứng, có thể sử dụng nhiều loại bộ lọc khác nhau. Thông thường, sẽ hữu ích khi có đáp ứng vòng lặp tăng với tốc độ lớn hơn tốc độ này bên trong băng thông vòng lặp. Bằng cách này, nhiễu VCO có thể được làm suy yếu hơn nữa. Bên ngoài băng thông vòng lặp, tốc độ giảm lớn hơn có thể giúp triệt tiêu các dải biên tham chiếu không mong muốn hơn nữa. Từ kiến thức về bộ lọc vòng lặp đã chọn, các điểm ngắt có thể được tính toán và với kiến thức về độ lợi vòng lặp, đáp ứng vòng lặp tổng thể có thể được vẽ.

Với phản hồi đã biết, các thành phần từ các khối riêng lẻ trong vòng lặp có thể được thêm vào vì chúng sẽ bị ảnh hưởng bởi vòng lặp và được nhìn thấy ở đầu ra.

Trước tiên, hãy xem xét VCO. Bên ngoài băng thông vòng lặp, đặc tính nhiễu của nó không bị thay đổi. Tuy nhiên, khi đi vào bên trong điểm này, hoạt động của vòng lặp làm suy giảm nhiễu, đầu tiên ở mức 20 dB mỗi thập kỷ, sau đó ở mức 40 dB mỗi thập kỷ. Tác động tổng thể của việc này là sửa đổi đáp ứng của đặc tính như thể hiện trong Hình 10. Có thể thấy rằng bên ngoài băng thông vòng lặp, biên dạng nhiễu không bị thay đổi. Xa hơn nữa, nhiễu phẳng, nhưng sâu hơn nữa trong VCO, nhiễu tăng lên với tốc độ 20 dB mỗi thập kỷ. Bên trong băng thông vòng lặp, nhiễu VCO sẽ bị suy giảm trước tiên ở tốc độ 20 dB mỗi thập kỷ, trong trường hợp này tạo ra biên dạng nhiễu phẳng. Sau đó, khi độ khuếch đại vòng lặp tăng lên tại điểm ngắt bộ lọc, lên 40 dB mỗi thập kỷ, điều này làm giảm biên dạng nhiễu VCO xuống -20 dB mỗi thập kỷ. Tuy nhiên, sâu hơn nữa trong biên dạng, nhiễu VCO độc lập tăng lên -30 dB mỗi thập kỷ. Hoạt động của vòng lặp làm giảm tổng thể xuống -10 dB mỗi thập kỷ.

Có thể tính toán ảnh hưởng của các yếu tố đóng góp quan trọng khác. Đáp ứng tham chiếu có thể dễ dàng suy ra từ số liệu của nhà sản xuất. Sau khi có được đáp ứng tham chiếu, cần phải cộng thêm hiệu ứng của hệ số nhân vòng lặp. Sau khi tính toán xong, có thể cộng thêm hiệu ứng của vòng lặp. Bên trong vòng lặp không ảnh hưởng đến đặc tính nhiễu, tuy nhiên, bên ngoài tần số này, nhiễu tham chiếu sẽ bị suy giảm, đầu tiên ở mức 20 dB mỗi thập kỷ và sau đó là 40 dB mỗi thập kỷ sau điểm ngắt bộ lọc.

Một yếu tố quan trọng khác gây nhiễu vòng lặp là bộ phát hiện pha. Hiệu ứng này được xử lý theo cùng cách với bộ tham chiếu, với hiệu ứng của phép nhân vòng lặp được cộng vào và sau đó được suy giảm bên ngoài băng thông vòng lặp.

Sau khi tất cả các đường cong riêng lẻ được tạo ra, chúng có thể được kết hợp thành một biểu đồ duy nhất để có được bức tranh toàn cảnh về hiệu suất của bộ tổng hợp. Khi thực hiện việc này, cần nhớ rằng cần phải tính tổng RMS của các thành phần vì các nguồn nhiễu không tương quan với nhau.

Sau khi thực hiện xong bước này, có thể tối ưu hóa hiệu suất bằng cách thay đổi các yếu tố như băng thông vòng lặp, hệ số nhân và có thể là cả cấu trúc liên kết vòng lặp để đạt được hiệu suất tốt nhất và đảm bảo đáp ứng các thông số kỹ thuật yêu cầu. Trong hầu hết các trường hợp, băng thông vòng lặp được chọn sao cho quá trình chuyển đổi tương đối mượt mà giữa các yếu tố nhiễu bên trong và bên ngoài vòng lặp. Điều này thường tương ứng với tình huống nhiễu tổng thể thấp nhất.

Mặc dù phương pháp này có vẻ hơi "thô sơ" trong môi trường kỹ thuật điện toán hóa cao độ hiện nay, nhưng nó có lợi thế là có thể dễ dàng lập biểu đồ trực quan về hiệu suất dự đoán. Nhờ đó, các khu vực có vấn đề có thể được xác định nhanh chóng và hiệu suất nhiễu của toàn bộ bộ tổng hợp được tối ưu hóa trước khi thiết kế cuối cùng được phê duyệt.