WIFI收发器的接地和电源设计（三）

三：通过适当的电源旁路和接地来抑制PLL杂散信号

满足802.11a/b/g系统发送频谱模板的要求是设计过程中的一个难点，必须对线性指标和功耗进行平衡，并留出一定裕量，确保在维持足够的发射功率的前提下符合IEEE和FCC规范。IEEE 802.11g系统在天线端所要求的典型输出功率为+15dBm，频率偏差20MHz时为-28dBr。频带内相邻信道的功率抑制比(ACPR)是器件线性特性的函数，这在一定前提下、对于特定的应用是正确的。在发送通道优化ACPR特性的大量工作是凭借经验对Tx IC和PA的偏置进行调节，并对PA的输入级、输出级和中间级的匹配网络进行调谐实现的。

然而，并非所有引发ACPR的问题都归咎于器件的线性特性，一个很好的例证是：在经过一系列的调节、对功率放大器和PA驱动器(对ACPR起主要作用的两个因素)进行优化后，WLAN发送器的邻道特性还是无法达到预期的指标。这时，需要注意来自发送器锁相环本振(LO)的杂散信号同样会使ACPR性能变差。LO的杂散信号会与被调制的基带信号混频，混频后的成分将沿着预期的信号通道进行放大。这一混频效应只有在PLL杂散成分高于一定门限时才会产生问题，低于一定门限时，ACPR将主要受PA非线性的制约。当Tx输出功率和频谱模板特性是“线性受限”时，我们需要对线性指标和输出功率进行平衡；如果LO杂散特性成为制约ACPR性能的主要因素时，我们所面临的将是“杂散受限”，需要在指定的P_OUT下将PA偏置在更高的工作点，减弱它对ACPR的影响,这将消耗更大的电流，限制设计的灵活性。

图7. 802.11a/b/g频谱模板和杂散造成的性能下降

上述讨论提出了另外一个问题，即如何有效地将PLL杂散成分限制在一定的范围内，使其不对发射频谱产生影响。一旦发现了杂散成分，首先想到的方案就是将PLL环路滤波器的带宽变窄，以便衰减杂散信号的幅度。这种方法在极少数的情况下是有效的，但它存在一些潜在问题。

图8给出了一种假设情况，假设设计中采用了一个具有20MHz相对频率的N分频合成器，如果环路滤波器是二阶的，截止频率为200kHz，滚降速率通常为40dB/十倍频程，在20MHz频点可以获得80dB的衰减。如果参考杂散成分为-40dBc (假设可以导致有害的调制分量的电平), 产生杂散的机制可能超出环路滤波器的作用范围(如果它是在滤波器之前产生的，其幅度可能非常大)。压缩环路滤波器的带宽将不会改善杂散特性，反而提高了PLL锁相时间，对系统产生明显的负面影响。

图8. 简化的PLL滤波器渐近线，相应的转角频率和杂散位置

经验证明，抑制PLL杂散的有效途径是合理的接地、电源布局和去耦技术，本文讨论的布线原则是减小PLL杂散分量的良好设计开端。考虑到电荷泵中存在较大的电流变化，采用星形拓扑非常必要。如果没有足够的隔离，电流脉冲产生的噪声会耦合到VCO电源，对VCO频率进行调制，通常称为“VCO牵引”。通过电源线间的物理间隔和每个V_CC引脚的去耦电容、合理放置接地过孔、引入一个串联的铁氧体元件(作为最后一个手段)等措施可以提高隔离度。上述措施并不需要全部用在每个设计中，适当采用每种方式都会有效降低杂散幅度。

图9提供了一个由于不合理的VCO电源去耦方案所产生的结果，电源纹波表明正是电荷泵的开关效应导致电源线上的强干扰。值得庆幸的是，这种强干扰可以通过增加旁路电容得到有效抑制。图10显示的是在电路改变后，在同一点的测量结果。

图9. 不合理的VCC_VCO退耦测试结果

图10. 在VCO电源端增加旁路电容后减小了噪声。

另外，如果电源布线不合理，例如VCO的电源引线恰好位于电荷泵电源的下面，可以在VCO电源上观察到同样的噪声，所产生的杂散信号足以影响到ACPR特性，即使加强去耦，测试结果也不会得到改善。这种情况下，需要考察一下PCB布线，重新布置VCO的电源引线，将有效改善杂散特性，达到规范所要求的指标。