基于電荷泵鎖相環(huán)的有源環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)

摘要：環(huán)路濾波器是鎖相環(huán)中的一個(gè)關(guān)鍵模塊，對(duì)寬帶高壓VCO進(jìn)行調(diào)諧時(shí)，常采用有源濾波器。在論述了電荷泵鎖相環(huán)基本原理的基礎(chǔ)上，對(duì)有源環(huán)路濾波器的結(jié)構(gòu)以及濾波器對(duì)鎖相環(huán)性能的影響進(jìn)行了分析，推導(dǎo)出有源環(huán)路濾波器參數(shù)的設(shè)計(jì)方法。根據(jù)課題設(shè)計(jì)了三階有源環(huán)路濾波器，用ADS工具對(duì)鎖相環(huán)系統(tǒng)性能進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果與理論相吻合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的濾波器滿足了課題的要求，驗(yàn)證了本方法的正確性。
關(guān)鍵詞：電荷泵鎖相環(huán)；有源環(huán)路濾波器；相位裕度；環(huán)路帶寬

電荷泵結(jié)構(gòu)的鎖相環(huán)(CPLL)具有易于集成、低功耗、無相差鎖定、低抖動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。環(huán)路濾波器(LPF)是電荷泵鎖相環(huán)電路的重要部分，其決定了鎖相環(huán)的基本頻率特性。由于有源器件會(huì)引入的相位噪聲，因此一般情況下采用無源濾波器作為環(huán)路濾波器。但是對(duì)寬帶高壓VCO調(diào)諧時(shí)，須采用有源環(huán)路濾波器以提供較高的輸出電壓。通常有源環(huán)路濾波器常選擇二階以上，采用多階極點(diǎn)可以改善有源濾波器的性能。此外，高階環(huán)路濾波器可在保證相同的鑒相雜散抑制的同時(shí)，可以允許更寬的環(huán)路帶寬和更高的鑒相頻率，降低了分頻比，從而改善鎖相環(huán)的帶內(nèi)相位噪聲性能。因此，研究有源環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)有著重要的意義。

1 電荷泵鎖相環(huán)基本原理
電荷泵鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括鑒頻鑒相器、電荷泵、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器和分頻器。鑒頻鑒相器比較兩個(gè)信號(hào)的相位與頻率差，并產(chǎn)生控制信號(hào)給電荷泵，然后電荷泵相應(yīng)地給環(huán)路濾波器充放電，此時(shí)壓控振蕩器輸出頻率正比于環(huán)路濾波器上的控制電壓，最終使參考時(shí)鐘fr與分頻器的輸出信號(hào)同頻同相，即壓控振蕩器的輸出信號(hào)頻率f0為參考時(shí)鐘頻率的N倍。

即 f0=NFr (1)
如果輸入信號(hào)的帶寬為Br，那么最終得到的輸出信號(hào)帶寬B0為參考源輸入帶寬Br的N倍。
即 B0=NBr (2)
電荷泵鎖相環(huán)本質(zhì)上是一個(gè)離散時(shí)間采樣的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，當(dāng)環(huán)路帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于參考時(shí)鐘頻率時(shí)，可以采用連續(xù)時(shí)間近似；當(dāng)相位誤差在PFD的鑒相范圍內(nèi)時(shí)，可以采用線性近似。那么當(dāng)電荷泵鎖相環(huán)處于相位鎖定過程時(shí)，就可得到一個(gè)線性連續(xù)時(shí)間相位模型，如圖2所示。

其中Kd是PFD和電荷泵一起構(gòu)成的鑒相器增益，并有Kd=Icp／2π，Icp為電荷泵的充放電電流，kvco為壓控振蕩器的增益，N為分頻器的分頻比，Z(s)為環(huán)路濾波器的傳輸函數(shù)。設(shè)計(jì)中鎖相環(huán)路起到了倍頻的作用，參考輸入的噪聲由于倍頻而惡化。
Sφ,ref(f)為參考輸入的噪聲功率譜密度，Sφ,out(f)經(jīng)過鎖相環(huán)路倍頻后輸出噪聲功率譜密度，根據(jù)信號(hào)理論，可得：

開環(huán)增益G(f)=KdKvcoZ(f)／2π是在頻域上單調(diào)遞減，因此|H(f)|呈現(xiàn)低通特性，低通截止頻率為fc，等于鎖相環(huán)的環(huán)路帶寬。在環(huán)路帶內(nèi)較小的偏離頻率范圍ffc處有|H(f)|≈1，此時(shí)參考輸入噪聲影響鎖相環(huán)輸出信號(hào)的相位噪聲。從公式(3)中，可知參考信號(hào)輸入的相位噪聲與雜散由于鎖相環(huán)路倍頻而惡化20lgN(dB)，因而分頻比不宜過大，而較低的分頻比也意味著更高的頻率分辨率和改善的鎖定速度；另一方面，當(dāng)分頻比較低時(shí)，DDS的輸出頻率帶寬需要足夠大，這必然會(huì)增大輸出雜散和相位噪聲。

2 有源環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)
通常用于鎖相環(huán)的有源環(huán)路濾波器包括簡單增益型和反饋型兩種，在實(shí)際工程中多采用簡單增益型，常見的為二階和三階濾波器。