基于壓控振蕩器（VCO）的高性能鎖相環(huán)（PLL）設(shè)

大多數(shù)商用分立VCO采用容值可變的變?nèi)荻O管，作為L(zhǎng)C振蕩電路的可調(diào)諧元件。改變二極管的電壓會(huì)改變其電容，從而改變振蕩電路的諧振頻率。

變?nèi)荻O管的任何電壓噪聲都會(huì)被VCO增益KV（用MHz/V表示）放大，并轉(zhuǎn)換為相位噪聲。要使VCO相位噪聲保持最小，KV必須盡可能小，但為了實(shí)現(xiàn)合理的寬調(diào)諧范圍，KV必須較大。因此，對(duì)于要求低相位噪聲和寬調(diào)諧范圍的應(yīng)用，VCO制造商通常會(huì)設(shè)計(jì)低增益、輸入電壓范圍較大的振蕩器，以滿足這些相互矛盾的要求。

窄帶VCO的典型電壓調(diào)諧范圍為0.5 V至4.5 V，寬帶VCO通常為1 V至14 V，某些情況下可以寬達(dá)1 V至28 V。

同軸諧振器振蕩器(CRO)是另一種特殊類型VCO，利用極低增益和寬輸入調(diào)諧電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)超低相位噪聲，通常用于窄帶專用移動(dòng)無(wú)線電和陸地移動(dòng)無(wú)線電應(yīng)用。

與高壓VCO接口
大多數(shù)商用PLL頻率合成器IC提供電荷泵輸出，其上限約為5.5 V；當(dāng)環(huán)路濾波器僅使用無(wú)源器件時(shí)，VCO要求較高的調(diào)諧電壓，該輸出不足以直接驅(qū)動(dòng)VCO。為了達(dá)到較高的調(diào)諧電壓，必須利用運(yùn)算放大器電路實(shí)施有源環(huán)路濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

實(shí)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)的最簡(jiǎn)單方法是在無(wú)源環(huán)路濾波器之后添加一個(gè)增益級(jí)。雖然易于設(shè)計(jì)，但這種方法有幾個(gè)缺點(diǎn)：反相運(yùn)算放大器配置具有低輸入阻抗，會(huì)使無(wú)源環(huán)路濾波器承受負(fù)載，從而改變環(huán)路動(dòng)態(tài)特性；同相配置具有足夠高的輸入阻抗，不會(huì)使濾波器承受負(fù)載，但有源濾波器增益會(huì)放大運(yùn)算放大器的任何噪聲，從而無(wú)法受益于前置無(wú)源環(huán)路濾波器的濾波功能。更好的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是將增益級(jí)與濾波器集成于單一有源濾波器模塊中。建議采用前置濾波，避免來(lái)自電荷泵的極短電流脈沖過(guò)驅(qū)放大器，否則這可能會(huì)限制輸入電壓額定值。

圖3顯示建議有源濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的兩個(gè)示例，其中前置濾波分別使用反相和同相增益。請(qǐng)注意，這些放大器電路是真時(shí)間積分器，可強(qiáng)迫PLL環(huán)路在輸入端保持零誤差。環(huán)路之外，所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能會(huì)漂移至供電軌

a. 反相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

b. 同相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
圖3. 采用前置濾波的有源濾波器

反相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)是可以將電荷泵輸出偏置在固定電壓，通常為電荷泵電壓的一半(VP/2)，此時(shí)對(duì)雜散性能最有利。注意應(yīng)提供干凈的偏置電壓，最好是來(lái)源于ADP150等專用低噪聲線性穩(wěn)壓器，并在盡可能靠近運(yùn)算放大器輸入引腳處充分去耦。分壓器網(wǎng)絡(luò)所用的電阻值應(yīng)盡可能小，以便降低噪聲。使用反相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，必須確保PLL IC允許PFD極性反轉(zhuǎn)；如有必要，應(yīng)抵消運(yùn)算放大器的反轉(zhuǎn)，以正確的極性驅(qū)動(dòng)VCO。ADF4xxx系列就具有這種特性。

同相環(huán)路濾波器配置不需要專用偏置，因此這種解決方案可能更緊湊。此時(shí)，電荷泵電壓不是偏置在固定電平，而是在其工作電壓范圍內(nèi)變化。因此，采用此類濾波器時(shí)，使用具有軌到軌輸入的運(yùn)算放大器更為關(guān)鍵。（下一節(jié)將說(shuō)明輸入電壓范圍要求。）

選擇運(yùn)算放大器
運(yùn)算放大器的選擇對(duì)于最大限度地發(fā)揮有源濾波器的潛能至關(guān)重要。除帶寬外，需要考慮的主要性能規(guī)格有：

• 噪聲電壓密度，用nV/√Hz表示
• 電流噪聲，用pA/√Hz表示
• 輸入偏置電流
• 共模電壓范圍

濾波器輸出直接影響所產(chǎn)生的頻率和相位；因此，運(yùn)算放大器的噪聲電壓密度可以顯示有源濾波器將增加多少相位噪聲。放大器噪聲在PLL環(huán)路帶寬內(nèi)和帶外均會(huì)產(chǎn)生影響，在環(huán)路濾波器的轉(zhuǎn)折頻率處最為顯著，具有高噪聲電壓密度的放大器尤其突出。因此，放大器噪聲必須保持較低水平，才能完成放大器和高壓VCO的使命，提供較低的相位噪聲。10 nV/√Hz以下是一個(gè)不錯(cuò)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。與誤差電流脈沖相比，電流噪聲一般非常小，因此其影響往往比電壓噪聲小得多。

相對(duì)于PFD輸出電流，如果運(yùn)算放大器具有較為明顯的輸入偏置電流，則可能會(huì)導(dǎo)致PLL輸出頻譜上出現(xiàn)較大的雜散。為使VCO調(diào)諧電壓保持恒定且PLL保持鎖定，電荷泵必須補(bǔ)償每個(gè)PFD周期中運(yùn)算放大器輸入端所耗用的偏置電流。這就會(huì)在PFD頻率調(diào)制VTUNE電壓，并在載波周圍引起雜散，其偏移等于PFD頻率。輸入偏置電流越高，對(duì)VTUNE電壓的調(diào)制越大，雜散幅度越高。

共模電壓范圍或輸入電壓范圍(IVR)是運(yùn)算放大器的另一個(gè)重要特性，但常被忽視，導(dǎo)致終端設(shè)計(jì)發(fā)生嚴(yán)重問(wèn)題。IVR決定輸入引腳上最大/最小信號(hào)與正/負(fù)供電軌之間所需的間隙。

對(duì)于采用±15 V電源供電的早期運(yùn)算放大器，典型IVR為±12 V。后來(lái)加入了緩慢的橫向PNP輸入級(jí)，使得IVR可以包括負(fù)供電軌，從而提供單電源工作能力。雖然任何運(yùn)算放大器均能采用地和正電源供電，但必須注意輸入與供電軌的