基于電荷泵鎖相環(huán)的有源環(huán)路濾波器的設計

摘要：環(huán)路濾波器是鎖相環(huán)中的一個(gè)關(guān)鍵模塊，對寬帶高壓VCO進(jìn)行調諧時(shí)，常采用有源濾波器。在論述了電荷泵鎖相環(huán)基本原理的基礎上，對有源環(huán)路濾波器的結構以及濾波器對鎖相環(huán)性能的影響進(jìn)行了分析，推導出有源環(huán)路濾波器參數的設計方法。根據課題設計了三階有源環(huán)路濾波器，用ADS工具對鎖相環(huán)系統性能進(jìn)行仿真，仿真結果與理論相吻合。實(shí)驗結果表明，所設計的濾波器滿(mǎn)足了課題的要求，驗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

電荷泵結構的鎖相環(huán)(CPLL)具有易于集成、低功耗、無(wú)相差鎖定、低抖動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應用。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(wú)源濾波器作為環(huán)路濾波器。但是對寬帶高壓VCO調諧時(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)的帶內相位噪聲性能。因此，研究有源環(huán)路濾波器的設計有著(zhù)重要的意義。

1 電荷泵鎖相環(huán)基本原理
電荷泵鎖相環(huán)結構如圖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)信號的相位與頻率差，并產(chǎn)生控制信號給電荷泵，然后電荷泵相應地給環(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同頻同相，即壓控振蕩器的輸出信號頻率f0為參考時(shí)鐘頻率的N倍。

即 f0=NFr (1)
如果輸入信號的帶寬為Br，那么最終得到的輸出信號帶寬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，當環(huán)路帶寬遠遠小于參考時(shí)鐘頻率時(shí)，可以采用連續時(shí)間近似；當相位誤差在PFD的鑒相范圍內時(shí)，可以采用線(xiàn)性近似。那么當電荷泵鎖相環(huán)處于相位鎖定過(guò)程時(shí)，就可得到一個(gè)線(xiàn)性連續時(shí)間相位模型，如圖2所示。

其中Kd是PFD和電荷泵一起構成的鑒相器增益，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。設計中鎖相環(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(guò)鎖相環(huán)路倍頻后輸出噪聲功率譜密度，根據信號理論，可得：

開(kāi)環(huán)增益G(f)=KdKvcoZ(f)／2π是在頻域上單調遞減，因此|H(f)|呈現低通特性，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)輸出信號的相位噪聲。從公式(3)中，可知參考信號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(guò)大，而較低的分頻比也意味著(zhù)更高的頻率分辨率和改善的鎖定速度；另一方面，當分頻比較低時(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)路濾波器的設計
通常用于鎖相環(huán)的有源環(huán)路濾波器包括簡(jiǎn)單增益型和反饋型兩種，在實(shí)際工程中多采用簡(jiǎn)單增益型，常見(jiàn)的為二階和三階濾波器。