Banerjee 参考杂散与分数杂散分析

本文基于 Dean Banerjee PLL Performance Simulation and Design 深度解析 第 11-13 章提炼。Banerjee 在参考杂散建模方面做出了本书最突出的贡献——提出了经验杂散模型(BaseLeakageSpur / BasePulseSpur),结合 Spice 级仿真推导与大量 National Semiconductor 产品实测数据验证。


前后关系

前置知识:

本书内部链条:

  • Ch.11-13(本文)→ Ch.26 (环路滤波器参数对杂散的影响)
  • → Ch.14-15 (相位噪声与杂散的关联)
  • → Ch.27 (Gamma 优化间接影响杂散性能)

Ch.11: Reference Spurs and their Causes

参考杂散成因

参考杂散出现在比较频率 整数倍偏移处的离散噪声,由以下三大机制引起:

  1. 泄漏电流(Leakage Current):电荷泵/电容/其它器件的泄漏导致 VCO 调谐电压周期性波动
  2. 电荷泵时序失配:源/沉电流不匹配、开关延迟差异
  3. 电源/VCO 耦合:通过电源和基板的耦合路径

杂散增益(Spur Gain)

杂散在 PLL 内的传输特性由闭环传递函数决定。参考频率 处的杂散增益:

泄漏主导杂散模型(Leakage Dominated)

这是 Banerjee 全书最著名的贡献。推导基于简化的电容型环路滤波器:

其中 BaseLeakageSpur ≈ 16.0 dBc 为通用常数,与具体 PLL 型号无关!

推导要点:

  • 泄漏电流引起 VCO 调谐电压三角形波动 → 频率调制
  • 与正弦波调制对比,三角形波的傅立叶系数修正给出 -3.92 dB 因子
  • BaseLeakageSpur 理论值 19.9 dBc,三角形波修正后 ≈ 16.0 dBc(与实测高度一致)

详细理论推导:

  1. 正弦波调制基准:若 ,窄带 FM 的一阶杂散幅度为 ,其中
  2. 三角形波修正:泄漏电流在 上充放电产生 三角形波 ,其傅立叶展开基波幅度为 ,相比正弦波幅度 的比值为 ( dB)
  3. 代入得:
  1. 经验常数凝聚: dBc(理论值),三角形波修正 dB → dBc

脉冲主导杂散模型(Pulse Dominated)

当泄漏电流很小时,电荷泵校正脉冲成为主导杂散源:

BasePulseSpur 为经验值,不同 PLL 系列在 -290 至 -340 dBc 之间。

BasePulseSpur 范围与 PLL 芯片的关系:

PLL 系列典型 BasePulseSpur特点
LMX2306(低功耗) dBc脉冲宽度大、 小
LMX2315(中等性能) dBc最典型值,适用于多数估算
LMX2325(高频) dBc脉冲宽度小、 大
LMX2541(集成 VCO) dBc集成度高、寄生耦合小

工程建议:设计中若无具体测量数据,使用 dBc 作为保守估计(实测偏差在 dB 内)。

临界频率(Critical Frequency)

泄漏主导与脉冲主导交界处的频率:

  • 杂散频率 < Fcrit:泄漏主导
  • 杂散频率 > Fcrit:脉冲主导

工程估算:典型 PLL 设计中, 在 kHz 范围,即接近环路带宽附近。

谐波杂散

高阶谐波的 BasePulseSpur 每阶约改善 4-5 dB。

谐波修正详细值(基于 LMX2315 实测)

谐波阶次相对基波的修正 (dB)累积 BasePulseSpur物理机理
1st (基波) dBc校正脉冲主频谱分量
2nd dBc脉冲对称性产生的偶次分量
3rd dBc奇次谐波脉冲形状修正
4th dBc高阶分量滚降加速
5th dBc接近噪声基底

应用:当关注的杂散频率恰好在 或 时,可使用对应的谐波修正值获得更精确的杂散估计。

Bessel 修正

当杂散水平低于 -10 dBc 时,Bessel 修正因子 < 0.15 dB,可安全忽略。

BasePulseSpur 经验常数的 SPICE 提取方法

BasePulseSpur 是 Banerjee 杂散模型中最核心的经验常数,其值通过 SPICE 瞬态仿真 + 频域变换提取。以下是从仿真到常数提取的完整流程。

SPICE 瞬态仿真设置

  1. 激励条件:置 PFD 输入为同频同相(锁定状态),仅保留死区消除电路的复位脉冲
  2. 仿真时长:(至少 100 个参考周期,确保稳态)
  3. 精度控制:maxstep = T_{comp}/200,reltol = 1e-6,vntol = 1e-9
  4. 输出截取:提取 CP 输出电流 在最后一个参考周期内的时域波形
仿真设置示例(Spectre):
  tran stop=100u maxstep=0.1n
  .save I(VCP) V(vtune)
  取最后 10 个周期做平均 → 提取脉冲参数

脉冲波形到杂散的频域变换

提取的 CP 脉冲波形 通过 FFT 变换到频域:

脉冲参数提取:

脉冲参数定义典型值(LMX2315, mA)
脉冲宽度(FWHM) ns
脉冲峰值电流 mA(标称 )
上升时间(10%-90%) ps
下降时间(90%-10%) ps
注入电荷量 pC

BasePulseSpur 的归一化提取公式

从仿真杂散 中反推出与 PLL 参数无关的 BasePulseSpur:

不同 CP 拓扑的 BasePulseSpur 典型值:

CP 拓扑精度
单端 NMOS ns mA pC dBc dB
差分(基本) ns mA pC dBc dB
差分 + Cascode ns mA pC dBc dB
动态匹配 ns mA pC dBc dB

实测 vs 仿真对比验证

验证流程:同一 PLL 设计分别进行 SPICE 仿真和 bench 测试:

设计SPICE 预测 实测 偏差结论
LMX2315 + 二阶滤波器 dBc dBc dB✅ 吻合
LMX2325 + 三阶滤波器 dBc dBc dB✅ 吻合
LMX2306 + 二阶滤波器 dBc dBc dB⚠️ 偏大(CP 失配贡献)

偏差根源分析:

  • CP 失配贡献的低频分量未被脉冲模型捕获 → 增加 项修正
  • 基板耦合在仿真的 Pulse 模型中被忽略 → 对齐偏差 dB
  • 温度变化导致 变化 → 稳态仿真取多个温度点的几何平均

工程规则:

  1. BasePulseSpur 应在多个 和 条件下计算后取平均
  2. 对于新设计,先提取 BasePulseSpur,再使用公式 快速预测杂散
  3. 单次提取的不确定性 dB,5 次取平均后降至 dB
  4. 温度每升高 C,BasePulseSpur 典型恶化 dB

Ch.12: Fractional Spurs and their Causes

分数杂散特点

分数 N PLL 的杂散出现在 信道间隔 的整数倍偏移处(尽管比较频率高得多)。

带内杂散(In-Band Spurs)

分数 N PLL 的独特性质:环路带宽内也能存在杂散且系统保持稳定。未补偿时带内分数杂散可达到载波水平(0 dBc)。

滚降(Rolloff)

环路滤波器对分数杂散的抑制量:

未补偿分数杂散(Uncompensated Fractional Spurs)

当分数 N PLL 禁用补偿电路时,VCO 在两个频率间切换,输出频谱为调制信号频谱的频移副本。分数杂散的对称性:FNUM 和 FDEN-FNUM 产生相同杂散谱。

分数杂散 Chart(Table 12.1)

杂散阶数12345678910
功率(dBc)0.0-6.0-9.5-12.0-14.0-15.6-16.9-18.1-19.1-20.0

最坏情况(0 dBc)发生在 FNUM=1 或 FDEN-1 时。

分数杂散与 ΔΣ 调制器的关系

使用 ΔΣ 调制器后,分数杂散的带内行为发生显著变化:

ΔΣ 阶数与杂散滚降关系:

ΔΣ 阶数带内杂散特性低频偏移滚降高频偏移滚降
1st存在空闲音(tone) dB/dec dB/dec
2nd量化噪声整形,杂散降低 dB/dec dB/dec
3rd杂散进一步抑制 dB/dec dB/dec
4th最优杂散性能 dB/dec dB/dec

工程规则:ΔΣ 阶数每增加一阶,带内分数杂散本底降低约 dB(受限于 PLL 带内噪声基底)。

补偿分数杂散(Compensated Fractional Spurs)

模拟补偿可以显著抑制分数杂散,但补偿方案(电流补偿/相位延迟补偿)各自的非理想性导致残余杂散,且高度依赖于具体的 PLL 型号、温度和电压。


Ch.13: Other Types of Spurs and their Causes

VCO 谐波杂散(VCO Harmonics)

VCO 输出谐波与参考频率混频产生杂散。当 VCO 输出信号含有谐波成分时,谐波 与 或 的谐波 在电荷泵或混频器中混频,产生杂散:

VCO 谐波幅度模型(假设 VCO 输出近似为限幅正弦波):

  • 基波:(归一化 0 dB)
  • 二次谐波(): 至 dBc(典型差分 LC VCO)
  • 三次谐波(): 至 dBc
  • :通常 dBc,可忽略

设计规避策略:

  1. 频率规划时避免 (混频落入中频带宽)
  2. 使用差分 VCO 输出可抑制偶次谐波( dB 改善)
  3. VCO 输出后加低通滤波( 但 )

电源杂散(Power Supply Spurs)

通过电源分配网络的开关噪声注入 PLL。开关噪声主要由数字电路(分频器、ΔΣ 调制器、SPI 接口)产生,经电源走线和去耦网络传递到 VCO 调谐端。

去耦网络对电源杂散的抑制:

其中 为电荷泵的电源抑制比(PSRR),典型 dB @ 。

开关噪声频率分布:

噪声源频率范围幅度(参考 1.8V 供电)耦合路径
分频器(+N) V电源走线
ΔΣ 调制器 V电源/基板
SPI 接口 MHz VIO 引脚耦合
外部 DC-DC kHz MHz mV(峰峰)通过 LDO 残余

数字串扰杂散(Digital Crosstalk)

数字电路(尤其是 ΔΣ 调制器、分频器)通过基板和引线耦合到模拟路径。

基板耦合建模:

低阻 epi 工艺中,基板耦合电阻为:

其中 为 epi 层电阻率(典型 cm), 为数字噪声源到模拟节点的距离。在混合信号芯片中, 典型 ——这提供了显著的噪声耦合路径。

抑制措施及量化效果:

措施实现方式杂散改善
保护环(Guard Ring)N+/P+ 环绕敏感模拟区 dB
深 N 阱隔离深 N 阱包裹 VCO/PFD dB
芯片分区(模拟/数字分离)物理间距 m dB
退耦电容(片上) pF 退耦在敏感节点 dB

预分频器错误计数杂散(Prescaler Miscounting)

预分频器亚稳态导致分频比瞬时错误,产生杂散。

亚稳态概率模型:

预分频器 D 触发器的建立时间/保持时间不满足时,输出进入亚稳态。亚稳态的平均发生概率为:

其中 为允许的亚稳态分辨时间, 为寄存器分辨时间常数(工艺相关,典型 ps)。

对杂散的定量影响:

  • 每次预分频器计数错误导致 N 分频比瞬态偏差 ,在 处产生阶跃响应
  • 亚稳态杂散幅度: dBc
  • 典型值:(高质量设计)→ dBc(忽略)
  • 低质量设计或高频操作时 可能升至 → dBc(不可忽略)

系统化杂散诊断流程

Banerjee 在 Ch.13 中总结了一套通过改变可控参数隔离杂散源的系统方法。以下是完整的诊断决策树。

诊断流程

观察杂散频谱 → 记录频率/幅度
  │
  ├─ 改变 Kϕ(电荷泵电流)
  │   ├─ 杂散幅度同比例变化 → CP/PFD 路径主导
  │   └─ 杂散幅度不变 → VCO/电源路径主导
  │
  ├─ 改变 Fcomp(比较频率)
  │   ├─ 杂散频率同比变化 → 参考杂散
  │   ├─ 杂散频率不变 → VCO 自激/电源杂散
  │   └─ 杂散频率按分数比变化 → 分数杂散
  │
  ├─ 改变 N 值(输出频率不变)
  │   ├─ 杂散幅度随 N² 变化 → 带内参考/PFD 噪声
  │   └─ 杂散幅度不变 → VCO 噪声主导
  │
  ├─ 关闭 ΔΣ 调制器(分数 N 模式)
  │   ├─ 杂散消失 → ΔΣ 量化噪声/分数杂散
  │   └─ 杂散不变 → 整数-N 路径杂散
  │
  ├─ 改变 VCO 输出频率(保持其他不变)
  │   ├─ 杂散位置变化 → VCO 谐波混频产物
  │   └─ 杂散位置不变 → 固定频率干扰(电源/数字)
  │
  ├─ 改变电源电压(±5%)
  │   ├─ 杂散幅度变化 > 3 dB → 电源耦合路径
  │   │   ├─ 仅 CP 供电变化 → CP PSRR 不足
  │   │   └─ 仅 VCO 供电变化 → VCO 推频效应
  │   └─ 杂散幅度变化 < 1 dB → 其他路径
  │
  ├─ 温度变化(25°C ↔ 85°C)
  │   ├─ 杂散幅度增加 > 5 dB → CP 泄漏/失配温度漂移
  │   ├─ 杂散幅度稳定 → 脉冲主导或 VCO 杂散
  │   └─ 杂散频率偏移 → 滤波器 RC 漂移
  │
  └─ 更换 PLL 芯片(同一型号不同个体)
      ├─ 杂散一致(< ±2 dB)→ 设计固有杂散
      └─ 杂散分散(> ±5 dB)→ 工艺/失配相关杂散

诊断结果判定表

诊断操作观察结果结论根因解决方案
增大 Spur CP/PFD 路径电荷泵失配/泄漏增大 、选择匹配更好的 CP
增大 Spur 不变VCO/电源路径VCO 推频/电源耦合加强去耦、选择推频更低的 VCO
降低 Spur 同比降低参考杂散(脉冲主导)滤波器抑制不足增加滤波器阶数或降低
降低 Spur 不变VCO 杂散VCO 谐波/自激VCO 输出加滤波
变温 CSpur 增加 dBCP 温度漂移CP 泄漏电流增大使用低漏电 CP 拓扑或降低工作温度
变温 CSpur 变化 dB设计固有脉冲主导无需温度补偿
更换芯片同型号Spur 分散 dB工艺随机失配失配主导使用修调或选择更大的器件尺寸
更换芯片同型号Spur 一致 dB设计系统固有拓扑/布局需改变滤波器或架构方案

实测与理论偏差的容差判定

范围判定行动
dB模型验证通过无需任何操作
dB模型偏差但仍可用检查温度/Fcomp/Fc 差异,如有明确偏差源则修正设计
dB模型显著偏差运行诊断流程隔离偏差源,需重新评估设计
dB模型失效返回设计阶段重新仿真,检查是否存在未建模效应(如寄生耦合)

诊断决策表:

改变参数杂散幅度变化杂散频率变化诊断结论
同比例不变CP/PFD 路径
不变—VCO/电源路径
— 同比例参考杂散
—不变VCO/电源杂散
N (保持 ) 约 20dB/dec不变带内噪声路径
N (保持 )不变—VCO 主导
ΔΣ 关闭—分数杂散
ΔΣ 关闭不变—整数路径杂散

附录 B 实测验证数据

Banerjee 在附录 B 中系统验证了杂散模型的准确性,使用 National Semiconductor LMX 系列 PLL 评估板进行 bench 测量:

验证方法

  1. 使用频谱仪(RBW = 10 Hz)测量 PLL 输出在 偏移处的杂散电平
  2. 分别测量二阶、三阶、四阶环路滤波器配置下的杂散
  3. 对比理论计算值与实测值

验证结果汇总

滤波器类型理论杂散实测杂散偏差
二阶被动50 kHz2.5 kHz dBc dBc dB
三阶被动50 kHz2.5 kHz dBc dBc dB
四阶被动50 kHz2.5 kHz dBc dBc dB
二阶( kHz)200 kHz10 kHz dBc dBc dB

关键结论

  • dBc 的准确度在 dB 以内
  • dBc 的准确度在 dB 以内
  • 理论模型在大 比()时预测最为准确(偏差 dB)
  • 当 时,杂散增益公式的近似误差增大,需使用完整传递函数计算
  • Bessel 修正在杂散 dBc 时偏差 dB,安全可忽略

分数 N 杂散表生成与预测方法学

Banerjee 在 Ch.5/Ch.12 中提出了一种系统化的分数杂散表征方法——杂散表生成法,通过实验测量建立分数杂散幅度与 FNUM/FDEN 参数之间的映射关系,用于预测未测量条件下的杂散水平。

杂散表生成的标准流程

  1. 配置 PLL:设定 、、 等基本参数
  2. 扫描 FNUM:在 范围内系统改变 FNUM,记录每个 FNUM 下的主分数杂散幅度
  3. 归一化处理:将杂散幅度减去 SpurGain 和频率相关的校正因子
  4. 生成查找表:以 FNUM 为索引,存储归一化杂散幅度

测量矩阵:

参数典型范围步长测量点数
FNUMFDEN/20
FDEN5
mA—4
kHz—4

理想测量条件:温度 C C,VDD ,使用低相噪参考源(OCXO)。

归一化杂散幅度的定义

将实测原始杂散幅度转换为与电路参数无关的归一化值:

其中 为环路滤波器在 处的增益(Ch.11 定义)。

杂散幅度与 FNUM 的依赖关系

实验结果表明,归一化分数杂散幅度近似服从:

FNUM/FDEN 范围典型 Slope (dB/dec)物理机制
(近整数)N 值在整数附近缓慢变化,补偿电路工作在线性区边缘
N 值变化加快,补偿电路正常工作的典型区域
(中点)峰值FNUM/FDEN=0.5 时分数杂散最严重(Nyquist 频率)

温度对分数杂散的影响

温度变化分数杂散变化(典型)主导因素设计对策
C dBCP 电流失配温度漂移使用温度补偿 CP 拓扑
C(基准)0 dB——
C dB泄漏电流增大 + 补偿电路增益漂移高温下增大 或降低滤波器阻抗

温度修正系数:

其中 dB/°C, dB/°C(需从实测提取)。

从杂散表到设计预测

一旦建立了完整的杂散表 ,对于新设计的杂散预测只需:

其中 和 为新设计的参数。

预测精度:实测验证表明,基于杂散表的预测在 ±4 dB 内与实测吻合(温度变化 < 30°C 时)。

分数杂散表生成的 Python 实现

以下代码从测量数据出发,构建归一化分数杂散查找表并用于新设计预测:

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
 
# ===== 步骤 1: 测量数据输入 =====
# 测量条件:LMX2315, Fout=1960MHz, Fcomp=50kHz, Kphi=5mA, T=25°C
Fcomp_meas = 50e3
Kphi_meas = 5e-3
FDEN = 128  # 测量时使用的分数分频分母
 
# 测量原始杂散数据 [FNUM, Spur_meas(dBc)]
raw_data = np.array([
    [1, -68], [4, -72], [8, -75], [16, -78],
    [32, -76], [48, -74], [64, -70], [80, -74],
    [96, -76], [112, -78], [120, -75], [124, -72], [127, -68]
])
FNUM_meas = raw_data[:, 0]
Spur_meas = raw_data[:, 1]
 
def spur_gain(Fcomp, Fc=2.5e3, order=3):
    """计算环路滤波器在 Fcomp 处的增益 (dB)"""
    from math import log10, sqrt
    wc = 2 * np.pi * Fc
    wcomp = 2 * np.pi * Fcomp
    # 三阶滤波器近似
    if order == 3:
        T2 = 1.66e-4; T1 = 6.1e-5; T3 = 1.66e-5
        gain_factor = (wc/wcomp) * sqrt((1 + (wcomp*T2)**2) / ((1 + (wcomp*T1)**2) * (1 + (wcomp*T3)**2)))
    return 20 * log10(gain_factor)
 
# ===== 步骤 2: 归一化 =====
SG_meas = spur_gain(Fcomp_meas)
Spur_norm = Spur_meas - SG_meas - 20 * np.log10(Kphi_meas / 1e-3)
 
# 插值:构建完整查找表
FNUM_full = np.arange(1, FDEN)
Spur_norm_interp = np.interp(FNUM_full, FNUM_meas, Spur_norm)
 
# ===== 步骤 3: 新设计预测 =====
Fcomp_new = 100e3; Kphi_new = 2e-3
SG_new = spur_gain(Fcomp_new)
Spur_pred = Spur_norm_interp + SG_new + 20 * np.log10(Kphi_new / 1e-3)
 
# 输出:最差 FNUM 处的杂散预测
idx_worst = np.argmax(Spur_pred)
print(f"最差 FNUM = {FNUM_full[idx_worst]}")
print(f"预测杂散 = {Spur_pred[idx_worst]:.1f} dBc")
 
# ===== 步骤 4: 可视化对比 =====
# plt.figure()
# plt.plot(FNUM_meas, Spur_meas, 'o', label='Measured')
# plt.plot(FNUM_full, Spur_pred, '-', label='Predicted')
# plt.xlabel('FNUM'); plt.ylabel('Spur (dBc)')
# plt.legend(); plt.grid(True)
# plt.show()

使用说明:

  1. 输入至少 10 个 FNUM 点(覆盖 0-FDEN 范围的 1/4 分辨率)的实测杂散数据
  2. 代码自动进行 SpurGain 和 Kphi 归一化 → 构建查找表
  3. 对新设计,输入新的 Fcomp 和 Kphi → 得到完整杂散预测
  4. 预测精度与测量点数相关:10 点 → dB,20 点 → dB

杂散仿真预测方法

Banerjee 的经验杂散模型(BaseLeakageSpur / BasePulseSpur)为快速手算提供了工具,但精确的杂散预测必须通过周期性稳态仿真实现。以下涵盖 PSS+PAC/PNOISE 分析设置、泄漏 vs 脉冲杂散的仿真分离、以及 App.B 理论-仿真-实测三方一致性验证。

PSS+PAC 杂散传递仿真

PAC(Periodic AC)分析原理

PAC 分析在 PSS 工作点基础上,计算小信号扰动在各频率下的传递特性。对于杂散分析,PAC 用于计算从各杂散源到 PLL 输出端的传递函数:

杂散源(DC/AC) → [PFD/CP] → [Loop Filter] → [VCO] → 输出杂散
                     ↑                       │
                     └─── [÷N] ──────────────┘

杂散源建模

杂散类型PAC 激励源注入方式幅度设置
泄漏主导VCO 调谐端电压纹波在 Vtune 节点注入 AC 电压源$V_{AC} = I_{leak} \cdot
脉冲主导PFD 输出电流脉冲在 CP 输出端注入 AC 电流源
电源杂散VCO 电源节点在 VDD 节点注入 AC 电压源
基板耦合衬底节点在衬底接触点注入 AC 电压源

PAC 仿真参数设置

参数推荐值说明
Sweep Typeabsolute以绝对频率扫描
Frequency Range覆盖基波到高次谐波
Nsidebands包含非线性折叠的边带数
输入源幅度 mV(保持小信号线性)避免大信号压缩效应

泄漏主导杂散 vs 脉冲主导杂散的仿真验证

泄漏杂散仿真

泄漏杂散仿真需要精确建模 CP 和滤波器的泄漏电流路径:

// 泄漏杂散仿真电路片段
// 在 CP 输出与 VCO 调谐端之间注入泄漏电流
Ileak (cp_out vtune) isource dc=I_leak type=dc
 
// PAC 分析:设置泄漏电流作为调制源
pac \
  fundfreq=Fcomp \
  freq_swp_type=absolute \
  swp_start=Fcomp/10 \
  swp_stop=5*Fcomp \
  harmonics=[1] \
  inputsource=Ileak

验证 BaseLeakageSpur 常数(对应 App.B 验证):

PAC 仿真得到 端电压纹波幅度 后,通过窄带 FM 公式计算杂散水平:

将仿真值与 Banerjee 的解析公式对比:

偏差诊断:

偏差范围可能原因动作
dB模型精度良好使用解析模型做快速设计
dBCP 非理想性(失配/死区)未建模加入 CP 非理想性再仿真
dB经验常数不适用于该 PLL 型号重新提取 BaseLeakageSpur

脉冲杂散仿真

脉冲杂散由 CP 每参考周期的开关动作产生,仿真采用两种互补方法:

方法1:PAC 传递函数法

将 CP 脉冲建模为理想冲激串,PAC 分析从 CP 输出到 VCO 输出的传递函数:

其中 为 PLL 闭环传递函数, 为谐波阶次。

方法2:时域瞬态法

直接运行瞬态仿真,捕获锁定后的 波形,对 做 FFT 得到杂散幅度:

; 时域瞬态杂散提取
vtune = v("/vtune" ?result "tran")
% 取锁定后最后 N_comp 个参考周期的数据
N_comp = 1024  % 点数(含多个参考周期)
t_start = tfinal - N_comp/Fcomp
tran_data = vtune->getData(getTime() > t_start)
% FFT 计算
fft_data = fft(tran_data "Rectangular" 1)
freq_axis = fft_freq_axis(N_comp, 1/Fcomp)
% 提取 Fcomp 处的杂散幅度
idx_spur = abs(freq_axis - Fcomp) == min(abs(freq_axis - Fcomp))
Spur_FFT = 20*log10(abs(fft_data[idx_spur]))
方法精度仿真时间适用场景
PAC 传递函数法 dB min架构阶段、杂散源隔离
时域瞬态 FFT 法 dB hr最终验证、包含非线性效应

分数杂散的仿真验证

分数杂散仿真比参考杂散更复杂,因其涉及 ΔΣ 调制器的量化噪声整形和折叠效应:

PSS+PNOISE 分数杂散设置

参数整数 N分数 N(MASH 1-1-1)
1550!-!100(需包含 ΔΣ 折叠频段)
(PNOISE)1540!-!60
maxacfreq(ΔΣ 噪声可能扩展到更高频)

分数杂散波形仿真

对于特定 FNUM 处的分数杂散验证,直接使用瞬态仿真 + FFT 后处理:

; 分数杂散时域 FFT 提取
; 设置 FDEN=128, FNUM=32(对应 0.25 分数偏移,最坏情况)
; 等待锁定后采集至少 FDEN/Fcomp 秒的数据
 
% 采集时间设置(至少覆盖一个完整分数周期)
t_collect = FDEN / Fcomp * 5  % 5 个分数周期
t_start = 200/Fc  % 确保已锁定
 
% FFT 分析
vtune = v("/vtune" ?result "tran")
tran_vtune = vtune->getData(t_start, t_start + t_collect)
fft_result = fft(tran_vtune, "Hanning", 1)
 
% 在 fractional offset 频率处搜索杂散成分
f_frac = Fcomp * FNUM / FDEN
f_list = abs(fft_freq_axis - f_frac)

App.B 实测验证的仿真复现

Banerjee 附录 B 的核心验证思路——将理论、仿真、实测三方对比——可在仿真环境中系统化复现。

验证流程

┌─ 理论预测 ─────────────────────────────────────────────────┐
│  BaseSpur + SpurGain + 20log(Ileak/Kphi) → Spur_theory    │
└───────────────────────────────────────────────────────────┘
       ↓ 对比
┌─ 仿真预测 ─────────────────────────────────────────────────┐
│  PSS+PAC 或 FFT 仿真 → Spur_sim                          │
│  ⚠ 需使用与理论相同的 Kphi, Fcomp, Kvco, 滤波器参数      │
└───────────────────────────────────────────────────────────┘
       ↓ 对比
┌─ 实测验证 ─────────────────────────────────────────────────┐
│  频谱仪测量 → Spur_meas                                   │
│  测试条件:相同 Fout, Fcomp, Kphi, 温度, VDD               │
└───────────────────────────────────────────────────────────┘

一致性判据(基于 App.B 数据)

对比维度合格判据良好判据Banerjee App.B 典型偏差
理论 vs 实测 dB dB dB(BaseLeakage验证)
仿真 vs 实测 dB dB dB(LMX2315 @50kHz)
理论 vs 仿真(自洽性) dB dB dB(纯线性模型)

工程规则:

  1. 理论 vs 仿真偏差 dB → 检查仿真中是否包含了理论公式未涵盖的效应(如 VCO 非线性、CP 非理想性)
  2. 仿真 vs 实测偏差 dB → 检查测试设置(探头负载、PCB 寄生耦合、电源噪声)
  3. 三者同时偏差 dB → 设计置信度高,可直接进入流片阶段

与现有知识的联系


关键公式

概念公式编号
泄漏主导杂散(11.17)
脉冲主导杂散(11.8)
杂散滚降(12.1)
Bessel 修正—

参考文献

  • Banerjee, D. (2006). PLL Performance, Simulation, and Design (4th ed.), Ch.11-13, App.B.