一款用于RF系统的坚固型10MHz基准时钟输入保护电路和分配器

引言

要为RF系统设计基准输入电路证明是棘手的事情。难题之一是在满足时钟的保护、缓冲及分配要求的同时也要保持输入时钟的相位噪声性能。本文将说明怎样设计一款10MHz基准输入电路并优化其性能。

设计要求

RF仪器和无线收发器常常具有一个用于外部基准时钟的输入，例如：RF仪器上广泛使用的10MHz基准输入端口。许多同类系统都包括一种装置以用于在整个系统中分配基准时钟。图1示出了一款常用方案，其中由基准时钟向两个不同的锁相环(PLL)提供基准输入。

图1：用于RF系统的常用基准输入和基准分配方框图。

设计精良的坚固型输入可接受宽幅度范围的正弦波和方波信号。即使在输入多变的情况下，其也可保持向系统内部的目标PLL输入提供恒定的信号电平驱动。完全暴露的基准输入端口应当具备过压/过功率保护功能。最重要的是：对于不可避免的时钟信号相位噪声性能下降，应最大限度地加以抑制。

设计实现方案

LTC6957是一款非常低附加噪声(或抖动)的双输出时钟缓冲器和逻辑转换器。LTC6957的输入可接受宽幅度范围的正弦波或方波信号，并以恒定的幅度驱动负载。

LTC6957提供了各种不同的输出逻辑信号选项：PECL、LVDS和CMOS(同相及互补型)，从而使其能驱动多种负载。图2示出了一款采用LTC6957-3的10MHz基准输入电路，其可产生两个同相CMOS输出。

图2：采用LTC6957-3并具前端保护功能的10MHz基准输入电路，图中示出了测试信号和相位噪声测量设置。

图2中所示的变压器起多项作用。首先，它与位于其后的肖特基二极管共同提供了输入过功率/过压保护。这些二极管可限制LTC6957-3所承受的AC电压。WBC16-1T能够处理高达0.25W的功率(给50Ω负载输送3.5VRMS)。

该变压器还负责将连接器的地(其通常连接至RF系统的底板)与系统的内部模拟地隔离开来。

另外，该变压器还给输入信号施加了一个电压增益，因而使LTC6957-3接收的脉冲信号边沿变得陡峭。这有助于减少AM至PM噪声转换，反过来又抑制了相位噪声性能的下降，特别是在采用小输入信号时。WBC16-1T具有一个数值为4的电压增益。可以依赖变压器的电压增益(等于4)，而不是其数值为1的最大和理想功率增益，因为LTC6957-3给变压器提供了一个高阻抗负载。[!--empirenews.page--]

可对R1和R2进行组合式调节以使输入端口与50Ω相匹配。对于小的输入信号，二极管关断而变压器承受一个804Ω的负载(图2)。由于变压器的主端至副端阻抗比为16，因此该负载以大约50Ω反射至输入端。对于较大的输入信号，肖特基二极管接通，从而把604Ω的电阻减小至接近短路。这将使基准输入回程损耗性能下降，此问题可通过调整R1和R2的阻值来消除，但其间需要进行权衡取舍。

对于大的输入信号，通过增加R1的阻值及减小R2的阻值(以使其组合串联电阻保持在大约800Ω)可改善输入回程损耗。然而，由于R1与信号呈串联，故其将增加信号的噪声。较大的R1与较小的R2相组合，将使信号较少部分出现在LTC6957-3的输入端，从而进一步降低了相位噪声性能。换句话说，设计人员可通过选择R1和R2的阻值以对相位噪声性能和输入回程损耗做出权衡。图2中给出的参数值在这两项性能指标之间实现了总体的平衡。

在图2中，把连接器与变压器分离开来的AC耦合电容器负责提供针对DC源的输入保护。

LTC6957-3具有可通过FILTA和FILTB引脚进行选择的内部低通滤波器。该选项战略性地限制了LTC6957-3的首个放大器级带宽，因而也限制了电路的附加相位噪声，特别是当输入信号如下文所述那么微弱时。

性能

如图2所示，一个10MHz OCXO通过一个步进衰减器连接至电路的输入。基准输入信号在–10dBm和10dBm之间变化，同时采用Agilent E5052A信号源分析仪来测量不同输入滤波器设置下LTC6957-3输出端上的相位噪声层。图3示出了LTC6957-3的10MHzCMOS时钟输出在100kHz频率偏移情况下测量的相位噪声层。

图3：LTC6957-3输出端上的100kHz偏移相位噪声层与10MHz基准输入功率级别之间的关系曲线(针对不同的LTC6957滤波器设置)。

如果外部施加的10MHz基准信号幅度未知，则把FILTA拉至低电平而将FILTB拉至高电平可产生上佳的总体相位噪声性能，如图3所示。不过，假如测量了输入端上的施加信号电平并运用适当的滤波器设置，那么性能可以得到优化。

当馈入50Ω负载的基准输入功率为0dBm时，图2中选择的R1和R2阻值将产生–9dB的输入回程损耗。输入功率较低时，回程损耗性能较好;在输入功率较高时则较差。

结论

基于LTC6957-3可设计一款坚固、高性能的10MHz基准输入电路。其特点包括宽泛的输入信号类型和电平兼容性、保护以及具有限的相位噪声性能下降之时钟分配。对该电路的相位噪声和输入回程损耗进行了评估和优化。LTC6957-3简化了设计过程并实现了卓越的整体性能。