（通信与信息系统专业论文）uhf锁相频率合成器设计及实现.pdf

摘要 频率合成器广泛应用于现代的电子设备中，甚至被人们喻为众多电子系统的 “心脏”。利用锁相原理来获得多频点、低噪声，宽频带的频率合成器，是现代 通信设备中不可缺少的组成部分。所以设计高性能的锁相频率合成器是现代通信 技术中一个重要的研究方向。 本文系统阐述了u h f 锁相频率合成器的设计及实现，首先对锁相环和锁相频 率合成器的基本工作原理进行了简单的介绍，然后主要介绍了目前锁相环频率合 成器设计中比较流行的由电荷泵数字鉴频鉴相器和无源环路滤波器构成的频率合 成器。强调了电荷泵锁相环芯片中鉴相器的工作原理及其优点。研究了频率合成 器的性能对通信系统的影响，分别建立了相位噪声、参考杂波和锁定时间的数学 模型，为无源环路滤波器的设计做了铺垫。然后详细介绍了满足不同指标的无源 环路滤波器的设计。由于锁相频率合成器的环路带外相位噪声主要由压控振荡器 的相位噪声来决定的，设计一个性能良好的压控振荡器是本文的重要环节，所以 本文先介绍了压控振荡器的原理和设计方法，并利用先进的e d a 工具( a d s ) 对振荡 器电路进行仿真设计，并给出了仿真设计结果。最后给出了由电荷泵数字鉴频鉴 相器1 c d 8 8 2 5 和无源环路滤波器构成的频率合成器的实际电路设计方案，得出v c o 和频率合成器的实验测试结果，并与仿真结果进行比较，使理论和实践得到很好 的结合，实现了频率范围为4 6 1 2 5 0 l h z 到4 8 9 5 0 0 m h z 、频率阀隔为2 5 k h z 的低楣 噪频率合成器。并总结了频率合成器设计中常见的问题和解决这些问题的方法。 关键词：锁相频率合成器；电荷泵：环路滤波器：压控振荡器 a b s t r a c t f r e q u e n c ys y n t h e s i z e ri sw i d e l yu s e di nt h ec u r r e n te l e c t r o n i ce q u i p m e n t ，a n de v e n c o n s i d e r e da s ”t h eh e a r t ”o fm a n ye l e c t r o n i cs y s t e m s t h ef r e q u e n c ys y n t h e s i z e r 、“t i l l o t so fc h a n n e l s ，l o wn o i s ea n dh i g ht u n i n gw i d t hu s i n gt h e o r yo fp h a s e l o c k e dl o o pi s t h ec r i t i c a lp a r to ft h em o d e mc o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n t ，s ot h ed e s i g no fh i g h p e r f o r m a n c ef r e q u e n c ys y n t h e s i z e r i sv e r yi m p o r t a n tr e s e a r c hf i e l di nt h em o d e m c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r ，ap l lf r e q u e n c ys y n t h e s i z e rw o r k i n gi nu h fb a n di sr e s e a r c h e d a t f i r s t ，w er e v i e wt h eb a s i co fp h a s el o c kl o o pa n dp l lf r e q u e n c ys y n t h e s i z e r a f t e rt h a t m a i n l yi n t r o d u c i n gt h ec h a r g ep u m pp l lw i map a s s i v el o o pf i l t e ri nd e t a i l t h e n e m p h a s i z i n gt h em o d e mp h a s ef r e q u e n c yd e t e c t o rw i t hc h a r g ep u m pa n di t sa d v a n t a g e s a n d i n v e s t i g a t i n g t h e i m p a c t s o fp l l p e r f o r m a n c e o nc o m m u n i c a t i o n s y s t e m p e r f o r m a n c e b yb u i l d i n gu pt h em o d e l i n go fp h a s en o i s e ，r e f e r e n c es p u ra n dl o c k t i m e ，i ti sh e l p f u lt od e s i g np a s s i v el o o pf i l t e r si nt h en e x tp a r t b e c a u s ev c o d e t e r m i n e st h eo u t s i d eb a n dp h a s en o i s eo fs y n t h e s i z e r ，d e s i g n i n gah i g hp e r f o r m a n c e v c oi st h ec r u c i a lp a r to ft h i sp a p e r ，b a s i cc o n c e p t i o no fv c oa n dt h em e t h o dt h a t u s i n ge d a t o o l st od e s i g nv c ow a si n t r o d u c e di nd e t a i l a f t e rt h a t ，t h ee d a d e s i g n r e s u l tw a sp r o v i d e d f i n a l l yi n t r o d u c e dt h ep r a c t i c a lc i r c u i to ff r e q u e n c ys y n t h e s i z e r t h a tu s i n gm c d 8 8 2 5c h i pw i t hap a s s i v el o o pf i l t e ra n dp r o v i d e dt h er e a lt e s tr e s u l to f v c oa n dp l lf r e q u e n c ys y n t h e s i z e r ，c o m p a r e dt h et e s tr e s u l tw i t hs i m u l a t i o nr e s u l t a n dc o n c l u d e dt h a tt h ea g r e e m e n tb e t w e e nt h et h e o r ya n dp r a c t i c a l r e a l i z i n gap l l f r e q u e n c ys y n t h e s i z e rw i t h3 0 m h zw o r k i n gb a n da n d2 5 k h zf r e q u e n c ys t e p i n a d d i t i o n ，s o m ep r o b l e m so f t e no c c u r r e dw a si n t r o d u c e d a n dr e s o l v e d k e yw o r d s ：f r e q u e n c ys y n t h e s i z e r ：c h a r g ep u m p ；l o o pf i l t e r ；v c o i i 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导f ，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士硕士学位论文= = u 鲤鱼担题奎金盛登选盐丛塞理：。除论文中已经 注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表 或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：夸j | ；欧砷d 年3 月对日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意人连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于： 保密口 不保密d ( 请在以e 方框内打“7 ) 论文作者签名：楸导师签名：峭奶单 h 期：砷o 年；月】j - 日 第1 章绪论 频率合成技术是雷达，通信等电子系统实现高性能指标的关键技术之一，很 多现代电子设备和系统的功能实现都直接依赖于所用频率合成器的性能，冈此频 率合成器被人们喻为众多电子系统的“心脏”。 现代电子技术的发展对频率合成器的要求越来越高，一个性能优良的频率合 成器应同时具备输出相位噪声低，频率捷变速度快，输出频率范围宽和捷变频率 点多等特点。 频率合成技术发展到现在已经有三种主要方式：直接频率合成、锁相频率合成 和直接数字频率合成( d d s ) 。 直接频率合成是最早使用的频率合成方法。它利用混频器、倍频器，分频器和 带通滤波器来完成对频率的四则运算。直接频率合成能实现快速频率变换，几乎任 意高的频率分辨力，低相位噪声以及很高的输出频率。但是，直接频率合成器的 体积大，造价高。另一个缺点是输出端会出现无用的( 寄生) 频率，既所谓的杂 散。这是直接频率合成的一个致命的缺点，足以抵消以上所有的优点。 直接数字频率合成( d d s ) 是种基于波形存储的数字频率合成技术。这种合成 方法的优点是：频率分辨率高，转换速度快，具有灵活的相位、幅度控制特性。但 也正是由于全数字化的器件处理，d d s 也存在两个显著的缺点：首先d d s 输出信号 的杂散分量较高；其次，d d s 输出信号的频率不高，要实现直接d d s 微波合成信号， 则成本太高，限制了它在微波频段的使用。 锁相频率合成是基于锁相技术的频率合成方法，目前应用最为广泛。它是利 用锁相环路的良好窄带跟踪特性，使输出频率准确地锁定在高稳定参考频率或其 高次谐波上，使被锁定的频率具有与参考频率一致的频率稳定度和频谱纯度。这 种频率合成器的主要优点是： ( 1 ) 电路结构简单，锁相环相当于一个窄带跟踪滤波器，具有良好的窄带跟 踪滤波特性，能很好地选择所需频率的信号，杂散抑制度高，避免大量使用滤波 器。 ( 2 ) 可以方便地控制输出频率，体积小，成本低，有利于器件的集成化和小 型化。 ( 3 ) 它具有转换时间相对短，噪声低，输出频率范围大、高的优点。 锁相频率合成缺点是频率分辨力低。 u h f ( 特高频段) 通信系统中的频率合成器输出频率较高( 3 0 0 m h z 一3 g f l z ) ，范 围大。对相位噪声要求很高，对转换频率要求相对较低，所以广泛采用锁相频率 合成器。 目前，锁相频率合成器的设计技术存在一些问题：许多应用到p l l 设计和仿 真中的公式包括许多粗略近似的成分，没有提出是怎样推导的；还有许多设计对 理论进行详细的推导，但是已经过时了。对于今天的p l l 设计，一些假设是不正 确的。这些设计经验产生一些不能让人信赖的结果就不足为奇了，这些公式的另 一个缺点是许多公式没有与测量数据比较来保证它们考虑了所有的相关因素；也 有另一种方法，不完全依赖于公式，而是依赖测量结果，这种方法的缺点是失去 了对? l l 系统的深入了解，设计者很难从中掌握和提高p l l 的设计技术； 另外频率合成器中v c 0 的设计是一个很重要的部分，目前v c 0 的设计更像一 门手艺，而不是严格的工程设计方法，理论设计和实际测试结果存在很大差异，设 计存在盲目性。因为在r f 电路设计中存在很多不定因素，比如电路模型的建立、 元器件寄生参数、电磁干扰，噪声干扰等，由于这些原因，为了解决这种靠经验 设计电路的缺陷，我们依托于现有的成熟的软件仿真系统一a d s ，利用其强大的仿 真功能，对电路进行优化，考虑各种参数影响，对v c 0 进行仿真和设计，使设计 时间大大减小，避免了不必要的重复劳动。 总而言之，要设计一个性能良好的锁相频率合成器，需要综合考虑环路滤波 器和v c 0 的设计等问题。目前，利用电荷泵鉴频鉴相器芯片和无源环路滤波器来 实现的锁相频率合成器是锁相频率合成器设计的主流技术。 本文参考了d e a nb a n e r j e e ，“p l lp e r f o r m a n c e ，s i m u l a t i o n ，a n dd e s i g n3 r d e d i t i o n ”的设计方案，以一个特高频段( 4 6 1 2 5 0 - 4 8 9 5 0 0 m h z ) 的频率合成器的设 计为例，总结了一种有效的频率合成器设计方法，使理论设计值和实际值达到一 致，为特高频段的锁相频率合成器设计提供了参考价值。 第2 章锁相环路和锁相频率合成器的基本工作原理 由于本文主要研究的是无源环路滤波器与电荷泵鉴频鉴相器构成锁相频率合 成器的设计，所以首先简单介绍了锁相环的基本原理，接着简单介绍了锁相频率 合成器的基本原理，然后详细介绍了无源环路滤波器电荷泵锁相频率合成器的结 构、工作原理及其优点。 2 1 锁相环的基本原理 锁相就是自动完成相位同步。能够实现两个电信号相位同步的自动控制系统 就叫做锁相环路，简称锁相环。锁相环是一个系统跟踪另一个系统的装置，更精 确的说就是一个系统中由振荡器产生的输出信号在频率和相位上与参考信号或输 入信号同步。锁相环路实质是一个相位差自动调节系统。为了掌握环路的工作原 理，理解环路工作过程中发生的物理现象，首先给出图2 1 所示的最基本的锁相 环方框图。它包括三个基本部件：压控振荡器( v c o ) 、鉴相器( p d ) 和环路滤波器 ( l f ) 。 u 图2 1 基本的锁相框图 f i g u r e 2 1b l o c k d i a g r a mo f b a s i cp l 输出 - 下面我们简要地分析图2 1 中三个部件的工作原理。鉴相器是相位比较装置， 所以有时也叫做相位比较器或相敏检波器。它把输出信号u ：( t ) 和参考信号u ( l ) 的相位进行比较，产生对应于两个信号相位差0 。的误差电压u 。( t ) 。环路滤波器的 作用是滤除误差电压u d ( t ) 中的高频成分和噪声，以保证环路所要求的性能，增加 系统的稳定性。压控振荡器受控制电压u 。( t ) 的控制，使压控振荡器的频率向参考 信号的频率接近，也就是使差拍频率越来越低，直到消除频率差而锁定。 现在我们简要介绍整个锁相环的工作原理。首先假设输入信号u ，( t ) 的角频率 u 等于。，而u 。为v c o 的中心频率，也即控制电压u 。( t ) = 0 时的频率。此时，相 位差0 。为零，那么，鉴相器输出也为零，环路滤波器输出也必定为零，因此，v c 0 输出频率必然为其中心频率m 。 如果输入信号u ( t ) 的角频率不等于6 0 。，那么鉴相器会产生非零输出u 。( t ) ， 环路滤波器也将产生输出信号u 。( t ) ，这将使v c 0 的中心频率朝着相差0 。消失的方 向变化。如图2 2 所示，( a ) 输入信号u ，( t ) ：( b ) v c 0 的输出信号1 3 。( t ) ；( c ) 鉴相 器输出的平均值u 。( t ) 和相位差0 。；( d ) v c 0 输出角频率( i ) 。；( e ) 输入信号u ( t ) 角 频率u ，；现在假设输入信号频率在t 。时刻突变au ，输入信号的相位则丌始偏 离输出信号相位，两者之间产生相位差，并随时间而增大。这时，鉴相器产生输 出信号1 3 。( t ) 也随时问面增大，经环路滤波延迟后，u 。( t ) 也增大，这就使得v c 0 的 频率提高，相位差减小，经一段时间之后，v c 0 的频率将精确地等于输入信号的频 率。其最终相位差将根据所使用的环路滤波器类型可能减小到零或很小的有限值。 图2 2 输入信号频率阶跃时锁相环呈现暂态响应 f i g u r e 2 2t r a n s i e n tr e s p o n s eo f p l la tc h a n g e so f i n p u ts i g n a lf r e q u e n c y 显然，此时v c 0 的工作频率u 。，比其中心频率u 。高u 。那么，环路滤波器 输出u 。( t ) 最终应为u 。( t ) = c a ) k o ，k o 是v c 0 的压控增益。如果输入信号是一个 低频调制的调频信号，则环路滤波器输出就足解调出来的低频信号，因此锁相环 可用作调频信号解调器。锁相环的一种奇特功能是可以抑制叠加在输入端的噪声， 把深埋于噪声中的有用信号检测出来。锁相环的这些功能，就在于它是控制输出 信号b ( t ) 相位的伺服系统。 2 2 锁相频率合成器的基本原理 锁相频率合成器是由锁相环路( p l l ) 构成的”3 。锁相环是一种相位负反馈自动 摔制系统，它利用环路的窄带跟踪与同步特性，将鉴频鉴相器一端v c 0 的输出相 位与另一端晶振参考的相位保持同步，实现锁定输出频率的功能，同时可以得到 和参考源相当的频率稳定度。一个典型的锁相频率合成器的原理框图如图2 3 所 示。注意p l l 在技术上指得是图2 3 整个系统，为了方便起见，在以下的章节中 用p l l 表示锁相频率合成器，但是有时候p l l 专门指的是除了晶体参考源和v c 0 之外的整个系统，因为这两个装置很难集成到p l l 合成器芯片里面。它的工作过 程可以简单的描述为： 0 e t e c t o 玎 e h 覆g ep 坤 图2 3 基本的锁相环路 f i g u r e 2 3t h eb a s i cp l l 鉴相器输出电流的平均直流值乘以环路滤波器的阻抗，形成v c 0 ( 压控振荡器) 的输入控制电压。v c 0 是一种电压一频率变换装置，具有一个比例常数k v c o 。注 意环路滤波器是一个低通滤波器，常用离散元气件实现。环路滤波器对锁相频率 合成器的性能有很大的影响，本文在第三章中重点介绍了环路滤波器的设计。该 控制电压调整了v c 0 的输出相位，除以n 后，等于比较频率的相位。因为相位是 频率的积分，所以这个过程同样适用于频率，所以输出频率为： ， f o u r = 兰x t a l ( 2 1 ) 月 注意这个公式只有在p l l 处于锁定状态下才成立，而在p l l 重新调整到锁定 状态的中间过程不成立。在实际应用中，r 值是固定的，n 值可变的。 从k 计数器的输出到v c o 输出之间的传递函数决定了p l l 的许多重要性能。 这个系统的闭环带宽指的是环路带宽( f c ) ，它是环路滤波器设计和p l l 性能的重要 参数。另一个参数相位裕度( 由) ，指的是l f i o 度减去开环传递函数( 从r 计数器 到v c o 输出之间的部分) 的相位，即频率等于环路带宽时，求出相位裕度。相位裕 度对p l l 性能的影响比环路带宽小，但是还是有重要的影响，它是系统稳定度的 量度。 2 3 电荷泵鉴频鉴相器和无源环路滤波器构成的锁相频率合成器 利用电荷泵锁相频率合成器芯片和无源环路滤波器来实现的低相噪频率合成 器目前是锁相频率合成器中的主流技术。现在我们从市场上购买到的p l l 芯片大 集成电荷泵鉴频鉴相器( p f d ) ，电压鉴相器芯片已经淡出市场，电荷泵p l l 具有 传统的电压鉴相器p l l 有很多优点，后者具有无限的捕捉范围和零稳态相位误差。 电荷泵p l l 只需使用无源滤波器就可以保持使用有源滤波器的电压鉴相器p l l 许 多优点。在构键锁相环路时，建议使用无源滤波器，因为它具有成本低且不增加 噪声的优点。只有当v c o 的调谐电压高于p l l 提供的控制电压时，才使用有源滤 波器。因此本文主要研究了电荷泵鉴频鉴相器和无源环路滤波器构成的锁相频率 合成器。 2 3 1 现代电荷泵鉴频鉴相器与传统电压鉴相器的比较 一、传统电压鉴相器 电压鉴相器输出电压，直接加在环路滤波器上。电压鉴相器可以通过混频器、 或非门、j k 触发器来实现，用这些器件实现的鉴相器存在一些限制。如果环路滤 波器是无源的，当目标频率或者相位偏离v c o 很大时，p l l 不能锁到正确的频率。 有时p l l 处于锁定状态，但是当v c o 信号出现定频率漂移时，环路将失锁。当 p l l 锁定时，仍然存在稳态相位差。例如，混频器鉴相器”“引入了9 0 度相位移。 有许多方法解决这些限制，比如使用有源滤波器。虽然有源滤波器可以解决一些 问题，但是运放增加了p l l 的成本和噪声。有源环路滤波器的结构如2 4 所示： 6 从r 计数器的输出到v c o 输出之间的传递雨数决定丁p l l 的许多荤要。陆能。 这个系统的闭环带宽指的是环路带宽( f c ) ，它足环路滤波器设计和p l l 性能的重要 参数。另一个参数相位裕度( m ) ，指的是1 8 0 度减去”环传递函数( 从r 训数器 到r c o 输出之间的部分) 的相位，即频率等于环路带宽h 寸，求出相位裕度。相位裕 度对p l l 性能的影响比环路带宽小，但是还是有重要的影响，它是系统稳定度的 量度。 2 3 电荷泵鉴频鉴相器和无源环路滤波器构成的锁相频率合成器 利用电荷泵锁相频率合成器芯片和无源环路滤波器来实现的低相噪频率合成 器目前是锁相频率合成器中的主流技术。现在我们从市场r 购买到的p l l 一出片火 集成屯荷泵鉴频鉴相器( p f d ) ，电压攀相器芯片已经淡出市场，电荷泵p l l 具有 传统的电压鉴相器p l l 有很多优点，后者具有无限的捕捉范围和零稳态丰h 位误差。 电荷泵p l l 只需使用无源滤波器就可以保持使用有源滤波器的电压鉴相器p l l 许 多优点。在构键锁相环路时，建议使用无源滤波器，因为它具有成本低且不增加 噪声的优点。只有当v c o 的调谐电压高于p l l 提供的控制电压时，才使用有源滤 波器。因此本文主要研究了电荷泵鉴频鉴相器和无源环路滤波器构成的锁相频率 合成器。 231 现代电荷泵鉴频鉴相器与传统电压鉴相器的比较 一、传统电压鉴相器 电压鉴相器输出电压，直接加在环路滤波器上。电压鉴相器可以通过混频器、 或非门、j k 触发器来实现，用这些器件实现的鉴柏器存在一些限制。如果环路滤 波器是无源的，当目标频率或者相位偏离v c o 很大时，p l l 不能锁到正确的频率。 有时p l l 处于锁定状态，但是当v c o 信号出现一定频率漂移时，环路将失锁。当 p l l 锁定时，仍然存在稳态相位差。例如，混频器鉴相器。”引入了9 0 度相位移。 有许多方法解决这此限制，比如使用有源滤波器。虽然有源滤波器可以解决一些 问题，但是运放增加了p l l 的成本和噪声。有源环路滤波器的结构如2 4 所示： 问题，但是运放增加了p i l 的成本和噪声。有源环路滤波器的结构如2 4 所示： 6 从k 计数器的输出到v c o 输出之间的传递函数决定了p l l 的许多重要性能。 这个系统的闭环带宽指的是环路带宽( f c ) ，它是环路滤波器设计和p l l 性能的重要 参数。另一个参数相位裕度( 由) ，指的是l f i o 度减去开环传递函数( 从r 计数器 到v c o 输出之间的部分) 的相位，即频率等于环路带宽时，求出相位裕度。相位裕 度对p l l 性能的影响比环路带宽小，但是还是有重要的影响，它是系统稳定度的 量度。 2 3 电荷泵鉴频鉴相器和无源环路滤波器构成的锁相频率合成器 利用电荷泵锁相频率合成器芯片和无源环路滤波器来实现的低相噪频率合成 器目前是锁相频率合成器中的主流技术。现在我们从市场上购买到的p l l 芯片大 集成电荷泵鉴频鉴相器( p f d ) ，电压鉴相器芯片已经淡出市场，电荷泵p l l 具有 传统的电压鉴相器p l l 有很多优点，后者具有无限的捕捉范围和零稳态相位误差。 电荷泵p l l 只需使用无源滤波器就可以保持使用有源滤波器的电压鉴相器p l l 许 多优点。在构键锁相环路时，建议使用无源滤波器，因为它具有成本低且不增加 噪声的优点。只有当v c o 的调谐电压高于p l l 提供的控制电压时，才使用有源滤 波器。因此本文主要研究了电荷泵鉴频鉴相器和无源环路滤波器构成的锁相频率 合成器。 2 3 1 现代电荷泵鉴频鉴相器与传统电压鉴相器的比较 一、传统电压鉴相器 电压鉴相器输出电压，直接加在环路滤波器上。电压鉴相器可以通过混频器、 或非门、j k 触发器来实现，用这些器件实现的鉴相器存在一些限制。如果环路滤 波器是无源的，当目标频率或者相位偏离v c o 很大时，p l l 不能锁到正确的频率。 有时p l l 处于锁定状态，但是当v c o 信号出现定频率漂移时，环路将失锁。当 p l l 锁定时，仍然存在稳态相位差。例如，混频器鉴相器”“引入了9 0 度相位移。 有许多方法解决这些限制，比如使用有源滤波器。虽然有源滤波器可以解决一些 问题，但是运放增加了p l l 的成本和噪声。有源环路滤波器的结构如2 4 所示： 6 黻e 2 询v 图2 4 电压鉴相器后的典型有源滤波器结构 f i g u r e 2 ，4c l a s s i c a la c t i v el o o pf i l t e rt o p o l o g yf o rav o l t a g ep h a s ed e t e c t o r 二，现代电荷泵鉴频鉴相器 鉴频鉴相器( p f d ) 在处理较大的频率误差时，有很多优点。典型的与电荷 泵配合使用。p f d 将相位差转化成电压，然后通过电荷泵转化成修正电流。 电荷泵p l l 较电压鉴相器p l l 有更多优点并代替之。使用p f d ，p l l 能够锁 到任意频率，不管离初始频率多远，并且没有稳态相位差。p f d 如图2 5 所示： 图2 5 外接无源环路滤波器p f d f i g u r e 2 5p a s s i v el o o pf i l t e rw i t hp f d 与图2 4 相比，p f d 可通过虚线的部分的电荷泵来实现传统电压鉴相器和运放 的功能。为了比较，将图2 4 中的电压鉴相器增益除以r 1 ，将电压增益转化成电 流增益。图2 5 中加入电容c 1 明显减小了杂波电平。为了进一步减少参考杂波电 平，加入电阻r 3 和电容c 3 。 2 3 2p f d 工作原理 p l l 的带内相位噪声主要由p f d 决定的，理解p f d 的工作原理对建立相位噪声 的模型和模拟频率合成器的暂态响应起到关键作用。p l l 系统中最难理解的部分就 是鉴频鉴相器( p f d ) 。技术上，p f d 将两信号的相位误差转换成电压，并通过电 荷泵转换成电流。由于相位是频率的积分，鉴相和鉴频道理是相同的。请仔细看 图2 6 ，应该明确输出是相位而不是频率。因为相位是频率的积分，图中v c o 增益 除以s ( 积分) 得到相位，如果要求出频率，只需要将传递函数乘以s ( 微分) ， 因为相位是频率的积分，所以p f d 可以检测频率差和相位差。 觚旷吁垤旧。觚 一、鉴频鉴相器( p f d ) 的工作原理 v c o 的输出相位除以n ，然后反馈到p f d 的输入端。用巾n 表示该信号的相位， f n 表示这个信号的频率。晶体参考振荡源的输出相位除以r ，然后输入到p f d 。用 中r 表示该信号的相位，f r 表示这个信号的频率。p f d 只对巾r 和由n 的上升沿灵 敏，如图2 7 所示 舭n 厂 门f 。f 厂 nf _ 嚼吁j ：f j 一：产j j 等s 。 图2 7p f d 的工作原理图 f i g u r e2 7e x a m p l eo f h o wt h ep f dw o r k s 只要r 计数器的输出( 用符号巾r 表示) 出现上升沿，电荷泵将出现正跳变， 这就意味着如果电荷泵处于降电流状态，马上转换成三态模式( 高阻) ，如果处 于三态，转换成升电流的状态，如果电荷泵已升电流，那么持续升电流。p f d 对n 计数器输出相位卜- 升沿反应原理相同，只不过使电荷泵产生负跳变。如果电荷泵 处于升电流状态，马上转向三态。如果处于三态，马上降电流，如果降电流，就 继续降电流。 二、p f d 处理相位误差的过程分析 假设由n 和巾r 具有相同的频率不同的相位，由r 的上升沿比中n 的上升沿超 前段时间t ，t 有两种情况： t = o ；在这种情况下，不存在相位误差，两信号在频率和相位上是同步的， 所以理论卜鉴相器没有输出。但实际上，由于死区消除电路和数字门电路延时的 存在，p f d 仍有小的输出。在这种情况下，电荷泵输出。系列正负脉冲，极性交替变 化。 t 0 ：电荷泵在每个参考周期( 1 f r ) 内工作一段时间r 。因此电荷泵的平均 输出为：t f r k 巾，这个延时间隔t 乘以2 后与相位延时有关。因此p f d 在 一段时间内平均输出正比于相位误差。注意相同频率的两种信号，相位差可以表 示成o2n 之间的数。所以，在这种情况下，t 应该总是小于1 f n 。 三、鉴相器增益的计算 为了计算鉴相器增益，需考虑两种极值情况。相位误差是2n 时，升k 中幅度 电流。相位误差是负2n 时，降k 由幅度电流。在这个范围内，曲线是线性的。这 表示正确的鉴相器增益是k 由2 ( m a r a d ) 。虽然技术上除以2n 是正确的，但 是本书中都忽略了，因为它被另一个系数2n 抵消，该系数用柬将v c o 的增益从 m h z v 转换成 r a d 7 。 四、p f d 处理频率和相位都不同的两种信号分析 在大多数情况下，p f d 处理相位差的分析已足够了，但是人们更感兴趣的是p f d 处理两种不同频率信号工作过程，尤其对构建锁相检测电路有很大帮助。为了便于 分析，我们定义了以下几个变量： f r ：晶体参考源r 分频后频率 中r ：任意时刻f r 的相位 q ：f r 的初始相位 f n ：v c on 分频后的频率 中n ：任意时刻f n 信号的相位 9 1 3 ：f n 信号的初始相位 t ：瞬时时间 因为频率是相位的微分，可以得出 弭= a + 夕r ( 2 i ) 戎= + f n t ( 2 2 ) 从这两个公式町以看出，相位差很明显，所以在任意时刻t ，鉴相器平均输出： k 妒 a 一卢+ ( 一加) t ( 2 3 ) l 的选择取决于f r 与f n 的大小。为了不失一般性，假设f r f n ，f r 加 ( 2 4 ) 一 f n ( 2 5 ) 少 f n 当f r 是f n 的整数倍时，上面的结果可通过计算机仿真来修改。但是对较小 的频率误差，已证明电荷泵的输出是f r 与f n 比值的函数，只有在小频率误差来 情况下，电荷泵输出随频率误差线性增加。实际情况下，p l l 跟踪相位误差，是一 个动态过程，使一些仿真在一定程度上是不现实的。上面的公式粗略的估计了在固 定频率差时，p f d 的一个工作循环时平均输出。在闭环系统中，p l l 跟踪相位误差， 这就使这些估计与理论预测存在差异。 五、连续时间近似 技术上。p f d 输出脉冲宽度调制信号而不是连续电流。但是，将电荷泵电流近 似为连续电流，该电流幅度值近似等于电荷泵输出电流的平均值，大大简化了计 算。这个近似称为连续时间近似。当比较频率接近闭环系统的环路带宽时，该近 似无效。除了这种情况，在大多数情况下这个近似还是很有用的，用来推导p i 。l 的传递函数，对分析p l l 系统是很有必要的。在连续时间近似中，没有考虑离散 采样的影响，所以在计算p l l 许多性能标准时引入了较小的误差，比如，杂波， l o 、，、lll p少尸 ) ) 扁 俗 一 一 疗 而 ( ( 、l 办一户一办 一 一 1 1 ，l，l 妒 妒 k k 相位噪声和暂态响应的计算。这些标准将在下面几章中详细讨论，但是离散采样 的影响将在这里阐述。 六、离散采样对杂波和相位噪声的影响 离散采样对杂波的影响不是很大，但是如果环路带宽较比较频率宽时，有时会 就出现尖锋影响的现象。鉴相器离散采样对相位噪声有很大影响。p f d 是p l l 中的 主要噪声源。离散采样影向使p f d 在很高的比较频率时产生很大的噪声。因为在 较高比较频率下，p f d 的纠f 次数增加，同时也产生很多噪声，该噪声正比于纠| 三 次数。由于这个原因p f d 噪声增加了l o l o g ( f c o m p ) 。 七、离散采样对坏路稳定和暂态响应的影响 环路带宽较比较频率窄时，连续时问近似有效。如果不是这种情况，理论预 测与实际结果相差很大，p l 甚至变的很不稳定。选择环路带宽是比较频率的l l o 足以避免这些麻烦，当环路带宽接近比较频率的l 3 时，仿真结果表明p f d 离散 采样将使p l l 不稳定，p l l 将失锁。一般来说，不用过多的考虑这些影响。 八、p f d 的死区 相位误差很小的时候，p f d 对相位误差响应的正确性会出现问题。因为鉴相器 是用实际元件制成的，这些门电路具有延时性。当p f d 的工作时间接近这些器件 的延时时，电荷泵的输出出现附加噪声。由于p f d 器件延时而不能对相位误差做 出诈确反应的工作时间段，称为死区。许多p l l s 具有死区消除电路保证电荷泵在 一定时间内正常工作而避免进入死区 总结：这一节讨论p f d ，同时描述了p f d 处理频率误差和相位误差的过程。对 于相位差，输出正比于相位差。对于频率差，输出肯定与频率差有关。p f d 顾名恩 义就是检测相位差和频率差。它忽略了使用m i x e r 或者x o r 做为鉴相器的许多限 制因素，比如捕捉范围、同步保持范围、同步带和稳态相位误差。 2 4 频率合成器性能 2 4 1 p l l 的性能对通信系统性能的影响 频率合成器的性能主要分为相位噪声、参考杂波和锁定时间。那么这三个指 标对通信系统性能的影响在下面介绍： 典型的无线接收设备“1 如图2 8 所示： 图2 8 典型的无线接收设备 f i g u r e 2 8t y p i c a lp l lr e c e i v e ra p p l i c a t i o n 一、首先介绍p l l 相位噪声，参考杂波，锁定时间在接收机系统中的定义。 相位噪声指的是p l l 产生的噪声，它增加了误b i t 率，降低了系统的信嗓比。 相位噪声与信号混频后产生不必要的噪声。参考杂波是不必要的噪声边带，它发 生在偏移量是整数倍频道间隔的频偏上，经混频器转化成中频信号频率，该信号 淹没和降低了重要的信号性能。锁定时间指的是p l l 转换频率所需要的时间，取 决于可接收的频率范围变化的大小和可接受的误差频率大小。p i ，l 转换频率时，不 能传输数据，因此p l l 的锁定时间要足够快而不至于降低数据传输数率。锁定时 间也与功耗有关，在许多应用中，p l l 不必一直供电，只有在数据发射和接收时才 上电，而在其它时间，p l l 和许多其它射频部分可以取消。如果p l l 锁定时间很小， 允许系统将更多的时间花费在p l l 掉电方面，所以电流损耗减少了。 二、接收系统的分析 为了更好的理解相位噪声、参考杂波和锁定时间三个指标，列举了两个例予， 一个具有理想p l l 的理想通信系统。在这个例子中，假设系统所有部分是理想的。 所有的混频器，低噪放和滤波器具有o d b 增益和o d b 噪声系数。假设所有的滤波 器具有理想的频率响应。假设p l l 输出一个频谱较纯的信号和锁定时间为零。表 2 1 示出了r f 接收系统参数： 表2 1r f 接收系统参数 接收频率8 6 9 0 3 8 9 3 9 6m t i z r fp l l 频率 7 8 3 0 3 - - 8 0 7 ，9 6 姗z i fp l l 频率8 6 1 h z 频道间隔3 0 k h z 频道数量 8 3 1 中频p l l 频率 2 4 0 m h z 其中接收频道是8 3 1 频道中的一个。频道指定为0 到8 3 0 ，频道0 是8 6 9 0 3 m h z ， 频道8 3 0 是8 9 3 9 6 m h z 。假设接收频率是8 8 6 6 2 m t t z 的4 5 3 信道。如图2 9 所示： 0 善 璧4 。 i 始) 3美亲密蟊 嚣 霉墨s攀嚣 囊譬誓誊萋 囊 蓉鏊 鏊 薰囊 f m q q i 图2 9 输入信号 f i g u r e 2 9i n p u ts i g n a l 该频率经天线，滤波器和低噪放到达第一混频器前端，此时射频锁相频率通过控 制编入数字锁到8 0 2 6 2 m h z 。混频器的输出是这两个频率的和和差，一个是 1 6 9 1 2 4 m h z ，另一个是8 6 m i t z 。混频器后端的滤波器滤除高频信号，只有8 6 m h z 的 信号通过，8 6 m h z 的信号经中频p l l 转化成基带信号，中频p l l 的频率是8 6 t d h z 。 第二个例子是理想通信系统中的非理想p l l 。假设系统同前，但是r fp l l 和 中频p l l 输出相位噪声和杂波。r fp l l 需要花费l m s 改变频率，以不影响数据传 输。 对于偏离载频( 8 0 2 6 2 m h z ) 3 0 k h z 的杂波。可能在8 0 2 5 9 m h z 和8 0 2 6 5 m h z 。 如图2 1 0 所示： 謇营蘩蓉餐蘩露羹鏊繁餐 f m m z l 巨受匦二j 甄囊受嘲 图2 1 0r fp l l 输山信号 f i g u r e 2 1 0s i g n a lw i t hn o i s ef r o mr fp l l 这些信号的强度将比8 0 2 6 2 m l i z 弱，但是仍然存在。如果在这个系统中有其它用 户，这些杂波会产生很大影响。例如，在8 8 8 5 9 m i i z 或者8 8 8 5 6 m h z 的用户与杂 波混频产生一种不期望的8 6 m h z 噪声信号。如图2 1 1 所示： 蠡 毫 盂 弛神l k y i m p 2 1 匿巫受歪遁二圄 图2 ，1 1 混频器的输出信号 f i g u r e 2 ，11o u t p u ts i g n a lf r o mm i x e r 实际上，在载频偏移量为3 0 k h z 的倍频上都存在杂波，因此在8 6 m h z 上存在噪声 信号的可能性最大，但是上面提到的是最糟糕的情况。 本节介绍了相位噪声，杂波，锁定时间对系统性能的影响。这三个性能指标 受许多因素的影响包括v c 0 ，环路滤波器，n 分频比值。当然我们希望同时减小这 三个参数，但是得折衷考虑。对于那些只需调到固定频率的p l l ，很容易满足要求， 因为锁定时间要求非常宽松，只需满足较低的杂波电平。一个p l l 设计不能满足 所有设备的要求。 2 4 2p l l 相位噪声的模型和特性 在频率合成器中，噪声的来源是多方面的，既有外部噪声，也有电子电路中 1 4 的内部噪声，这单仅考虑内部随机噪声的影响。相对于信号而言，任何一个内部 噪声源均很微弱，产生的相位抖动也很小，因此可将锁相环路视作线性系统。把 锁相环频率合成器各部件本身作为理想的无噪元件，将其产生的噪声等效为某一 噪声电压( 或相位) 的输入，根据线性系统叠加原理，推导噪声源对p l l 相位噪声 影响以及输出相位噪声模型。 在2 3 2 节中，我们已经提到了连续近似的概念：p f d 输出脉冲宽度调制信号 而不是连续电流。但是，将电荷泵电流近似为连续电流，该电流幅度值近似等于电 荷泵输出电流的平均值，大大简化了计算。这个近似称为连续时间近似。对推导 传递函数是很有必要的。传递函数是这样定义的： g ( ，) ：鱼：坠：型 占 h = 坻 表2 2 中给出了各种噪声源及其对应的传递函数 表2 2 各种噪声源的传递函数 t a b l e 2 2t r a n s f e rf u n c t i o n sf o rv a r i o u sp a r t so f t h ep l l 噪声源传递函数 晶体参考源 土堡婴 r1 + g 0 ) h r 分频器 鱼! 塑 1 + g ( s ) h n 分频器 鱼坚! l + g ( s ) h 鉴相器 一1 堡螋 k 1 + g ( s ) h 压控振荡器 l 再瓦再百 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 分析每一个噪声源对相位噪声的影响，只需将该噪声乘以相应的传递函数。 注意晶体参考源的传递函数前有一个系数1 r ，鉴相器传递函数有一个系数1 k 由。 p f d 噪声，n 分频器噪声，r 分频器噪声，晶体参考源噪声的传递函数都包含一个 共因子。这个传递函数是 堡! 兰2 1 + g ( j ) h 因