基于壓控振蕩器（VCO）的高性能鎖相環(huán)（PLL）設(shè)

簡(jiǎn)介
“鎖相環(huán)”(PLL)是現(xiàn)代通信系統(tǒng)的基本構(gòu)建模塊。PLL通常用在無線電接收機(jī)或發(fā)射機(jī)中，主要提供“本振”(LO)功能；也可用于時(shí)鐘信號(hào)分配和降噪，而且越來越多地用作高采樣速率模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘源。

隨著集成電路加工中功能器件的尺寸縮小，器件電源電壓也呈下降趨勢(shì)，包括PLL和其它混合信號(hào)功能所用的電源。然而，PLL的關(guān)鍵元件——“壓控振蕩器”(VCO)的實(shí)用技術(shù)要求并未隨之大幅降低。許多高性能VCO設(shè)計(jì)仍然采用分立電路來實(shí)施，可能要求高達(dá)30 V的電源電壓。這就給當(dāng)今的PLL或RF系統(tǒng)設(shè)計(jì)師提出了挑戰(zhàn)：低壓PLL IC如何與高壓VCO實(shí)現(xiàn)接口。電平轉(zhuǎn)換接口通常利用有源濾波電路來實(shí)施，這將在下文討論。歡迎轉(zhuǎn)載,本文來自電子發(fā)燒友網(wǎng)(http://www.elecfans.com)

本文將分析說明PLL的基本原理，考察采用高壓VCO的PLL設(shè)計(jì)的當(dāng)前技術(shù)水平，討論典型架構(gòu)的利弊，并介紹高壓VCO的一些替代方案。

PLL基本原理
鎖相環(huán)（圖1）是一個(gè)反饋系統(tǒng)，其中相位比較器或鑒相器驅(qū)動(dòng)反饋環(huán)路中的VCO，使振蕩器頻率（或相位）精確跟蹤所施加的參考頻率。通常需要用濾波電路，對(duì)正/負(fù)誤差信號(hào)求積分并使之平坦，以及提高環(huán)路穩(wěn)定性。反饋路徑中常包含分頻器，使輸出頻率（VCO的范圍內(nèi)）為參考頻率的倍數(shù)。分頻器的頻率倍數(shù)N可以是整數(shù)，也可以是小數(shù)，PLL相應(yīng)地稱為“整數(shù)N分頻PLL”或“小數(shù)N分頻PLL”。

圖1. 基本鎖相環(huán)

PLL是負(fù)反饋控制環(huán)路，因此達(dá)到均衡時(shí)，頻率誤差信號(hào)必須為零，以便在VCO輸出端產(chǎn)生精確且穩(wěn)定的頻率N × FREF。

PLL有多種實(shí)施方法，根據(jù)所需頻率范圍、噪聲和雜散性能以及物理尺寸，可以采用全數(shù)字式、全模擬式或混合電路。目前，高頻（或RF）PLL的常用架構(gòu)既含有全數(shù)字式模塊，如反饋分頻器和鑒相器等，也含有高精度模擬電路，如電荷泵和VCO等?；旌闲盘?hào)PLL的主要特點(diǎn)包括：

1. 參考頻率：穩(wěn)定、精確的基準(zhǔn)頻率，RF輸出將鎖相于該頻率；通常源于晶振或溫度控制晶體振蕩器(TCXO)。
2. 鑒頻鑒相器(PFD)：從參考信號(hào)和反饋信號(hào)中產(chǎn)生相位誤差信號(hào)。
3. 電荷泵：將誤差信號(hào)轉(zhuǎn)換為與相位誤差成比例的正/負(fù)電流脈沖串。
4. 環(huán)路濾波器：對(duì)來自電荷泵的電流脈沖求積分，向VCO調(diào)諧端口提供干凈的電壓。
5. VCO：根據(jù)調(diào)諧端口上的電壓(Vtune)，輸出一個(gè)頻率。VCO具有增益KV，用MHz/V表示。VCO輸出頻率與輸入控制電壓的基本關(guān)系表達(dá)式為fo = fc + Kv (Vtune)，其中fc為VCO偏移頻率。
6. N分頻器：將輸出頻率倍除為PFD或參考頻率。可以簡(jiǎn)單地采用整數(shù)倍除，也可以采用小數(shù)倍除（小數(shù)N分頻器），采用后者的越來越多。小數(shù)分頻器的實(shí)施很簡(jiǎn)單，只需切換整數(shù)分頻器的除數(shù)便可獲得小數(shù)平均值（例如，要獲得平均值4.25，可以計(jì)數(shù)到4三次并計(jì)數(shù)到5一次；這樣就計(jì)數(shù)了17個(gè)脈沖，并生成了4個(gè)脈沖，因此頻率比為17/4 = 4.25）。實(shí)踐中，借助高分辨率噪聲整形轉(zhuǎn)換器所用的技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更好的效果。因此，小數(shù)方法通常采用Σ-Δ結(jié)構(gòu)實(shí)施，它具有雜散頻率少的優(yōu)勢(shì)。

圖2顯示了當(dāng)前器件的高度集成電路示例，這是集成VCO的小數(shù)N分頻PLL IC ADF4350寬帶頻率合成器的框圖，其輸出頻率范圍為137.5 MHz至4400 MHz。（集成VCO的寬帶寬PLL部分簡(jiǎn)要描述了其功能。）

圖2. ADF4350 PLL頻率合成器框圖

限制PLL性能的主要特性有相位噪聲、雜散頻率和鎖定時(shí)間。

相位噪聲：相當(dāng)于時(shí)域中的抖動(dòng)，相位噪聲是振蕩器或PLL噪聲在頻域中的表現(xiàn)。它是PLL中各器件所貢獻(xiàn)噪聲的均方根和。基于電荷泵的PLL可以抑制環(huán)路濾波器帶寬內(nèi)的VCO噪聲。在環(huán)路帶寬之外，VCO噪聲占主導(dǎo)地位。

雜散：雜散頻率由電荷泵定期更新VCO調(diào)諧電壓而引起，并以與載波相差PFD頻率的偏移頻率出現(xiàn)。在小數(shù)N分頻PLL中，小數(shù)分頻器操作也會(huì)引起雜散。

鎖定時(shí)間：從一個(gè)頻率變?yōu)榱硪粋€(gè)頻率或響應(yīng)瞬時(shí)偏移時(shí)，PLL的相位或頻率返回鎖定范圍所需的時(shí)間。它以頻率或相位建立性能來確定，其作為特性的重要程度視應(yīng)用而定。

為什么VCO仍然用高壓？
高性能VCO是最后幾種不為硅集成潮流所動(dòng)的電子器件之一。僅幾年前，手機(jī)所用的VCO才完全集成到手機(jī)無線電芯片組中。但是，在蜂窩基站、微波點(diǎn)對(duì)點(diǎn)