锁相技术教学课件-第5章节电荷泵锁相环课件

EE141锁相技术 第五章

电荷泵锁相环第第55章章

电荷泵锁相环电荷泵锁相环EE141锁相技术 第五章

电荷泵锁相环2本章简介本章简介q电荷泵锁相环（ChargePumpPhaseLockedLoop-CPPLL）属于模数混合环，它具有捕捉带宽（几乎等于同步带），捕捉时间短，线性范围大，结构简洁，易于实现等优点，得到最广泛的应用。目前常用的集成锁相环频率合成器几乎全是电荷泵锁相环，只有在噪声性能要求特别高的场合，才应用模拟锁相环。q内容l分析电荷泵、鉴频鉴相器原理与数学模型l分析二阶、三阶和四阶电荷泵锁相环原理与数学模型l介绍电荷泵锁相环的噪声模型。EE141锁相技术 第五章

电荷泵锁相环电荷泵锁相环框图电荷泵锁相环框图q由鉴频鉴相器(PhaseFrequencyDetector—PFD)，电荷泵（ChargePump-CP），环路滤波器及压控振荡器构成。q与模拟锁相环相比，电荷泵锁相环的鉴相器是由鉴频鉴相器和电荷泵组成，鉴频鉴相器不仅具有鉴频功能，而且具有鉴相功能，电荷泵能为环路滤波器提供充放电电流，而模拟锁相环一般采用模拟乘法器作鉴相器，只具有鉴相功能。3EE141锁相技术 第五章

电荷泵锁相环45.15.1电荷泵鉴频鉴相器数学模型电荷泵鉴频鉴相器数学模型q电流型电荷泵鉴频鉴相器注意：理想PFD具有第三态，即两个开关都断开，滤波器的输入端是浮空的，这个性质在模拟锁相环中是没有的，而电荷泵锁相环的这个性质是极其重要的。PFD与电流型电荷泵、无源环路滤波器的组合原理图EE141锁相技术 第五章

电荷泵锁相环电流型电荷泵鉴频鉴相器电流型电荷泵鉴频鉴相器q电荷泵锁相环含有开关工作状态的数字电路，是一个数模混合系统，传递函数的分析方法不能应用于这个时变系统。q但当环路处于锁定状态时，环路的带宽比信号的频率要小得多，每个输入信号周期内的环路状态只有非常小的变化。在这些情况下，我们可以不关心一个周期内的详细特性，只关心在许多周期内的平均特性，这是平均的分析方法。在采用了平均分析的方法后，我们可以使用线性时不变系统传递函数的强大分析工具。5EE141锁相技术 第五章

电荷泵锁相环6电荷泵鉴频鉴相器的传递函数，即数学模型电荷泵鉴频鉴相器的传递函数，即数学模型假设环路处于锁定状态，鉴频鉴相器输出信号的频率为，在每个输入信号周期内，环路状态只有非常小的变化，所以，可认为输出信号频率固定，具体理解如图。令相位误差为，对于输入（或输出）信号的每个周期，信号UP的导通时间为：EE141锁相技术 第五章

电荷泵锁相环7电荷泵鉴频鉴相器的传递函数电荷泵鉴频鉴相器的传递函数q无源环路滤波器输出为电压，输入为电流，即传输函数为q电荷泵在每个周期的一段时间内，向滤波器，提供一个泵电流q在一个周期内的平均值误差电流为q电荷泵鉴频鉴相器增益为EE141锁相技术 第五章

电荷泵锁相环电压型电荷泵鉴频鉴相器电压型电荷泵鉴频鉴相器q电压型电荷泵存在的非线性比电流型电荷泵更严重q由于电容上存在电压,流入滤波器泵电流为，而流出滤波器的泵电流为q充电电流和放电电流极不比配，导致严重的非线性q一般情况最好选用电流型电荷泵，而不用电压型电荷泵8EE141锁相技术 第五章

电荷泵锁相环95.2.15.2.1二阶电荷泵锁相环的线性模型二阶电荷泵锁相环的线性模型的限定条件的限定条件q电荷泵锁相环实际是一个非线性系统。q但是在应用中，我们近似认为：只要满足锁相环的环路带宽小于输入参考信号频率的十分之一，且环路锁定的条件下，PLL可近似看成一个线性系统。qCPPLL的取样、保持特性要求CPPLL的环路带宽相对于输入参考信号的频率要小得多，以满足环路稳定性的要求。EE141锁相技术 第五章

电荷泵锁相环10电荷泵锁相环线性相位模型电荷泵锁相环线性相位模型EE141锁相技术 第五章

电荷泵锁相环鉴频鉴相器电荷泵的数学模型为：11EE141锁相技术 第五章

电荷泵锁相环12EE141锁相技术 第五章

电荷泵锁相环研究电荷泵锁相环的锁定性能与前面讨论的模拟锁相环的方法一研究电荷泵锁相环的锁定性能与前面讨论的模拟锁相环的方法一样，这里只举例说明电荷泵锁相环的一个重要瞬态响应样，这里只举例说明电荷泵锁相环的一个重要瞬态响应------相差相差

。q假设环路在时锁定，在时，输入参考信号发生频率阶跃，由于相位是频率的导数，得输入相位得拉氏变换为。13在理想情况下，对于频率阶跃应用无源滤波器的电荷泵锁相环可达到0相差，但应用无源滤波器的模拟锁相环，对于频率阶跃的响应是不可能达到0相差。这是电荷泵锁相环优于模拟锁相环的一个显著优点。EE141锁相技术 第五章

电荷泵锁相环q大多数情况下，电荷泵锁相环优先采用无源滤波器，因为理想鉴频鉴相器电荷泵的输出有一个第三态，即高阻态，在理想电容不漏电的情况下，这个无源RC滤波器的性能表现为一个真实的积分器。这是为什么电荷泵锁相环优于模拟锁相环的原因。q电荷泵锁相环的动态性能在很大程度上由所用环路滤波器的种类决定。从控制的角度来说，环路滤波器是一个调节环节，下面是不同滤波器得到的不同阶电荷泵锁相环的数学模型。14EE141锁相技术 第五章

电荷泵锁相环15三阶电荷泵锁相环三阶电荷泵锁相环q在锁相环输出信号频谱纯度要求较高的场合，由于存在锁相环输入的参考信号的馈通和鉴频鉴相器、电荷泵导致的谐波，如果环路滤波器不能很好的将其衰减，那么在电荷泵锁相环的输出端将呈现出噪声或抖动。解决这个问题的办法是在一阶环路滤波器中，增加一个小电容，抑制控制电压的纹波，形成二阶滤波器如图所示。EE141锁相技术 第五章

电荷泵锁相环设计三阶设计三阶PLLPLL，系统稳定性是一个要特别关注的问题，系统稳定性是一个要特别关注的问题q二阶PLL稳定的工作是容易的，因为它的开环传输函数有两个极点和一个零点。极点会导致相移，而零点会导致相移。通过的选择环路滤波器时间，得到合理的，设计极点和零点在适当的位置，整个系统的相移不会达到，因此环路是稳定的。而当环路滤波器有两个以上的极点时，相移就可能超过，这就要仔细设计滤波器的零极点，保持环路稳定。16EE141锁相技术 第五章

电荷泵锁相环三阶电荷泵锁相环稳定性研究三阶电荷泵锁相环稳定性研究17为环路带宽(也称穿越频率)，此时相角位移为：EE141锁相技术 第五章

电荷泵锁相环三阶电荷泵锁相环稳定性研究三阶电荷泵锁相环稳定性研究18对上式求关于的导数，并令即得到当PM为最大时最大相位裕度是b的函数EE141锁相技术 第五章

电荷泵锁相环锁相环噪声性能锁相环噪声性能qPLL的噪声源主要有两类：q输入噪声：在通信应用中，主要是叠加到参考输入信号的信道噪声；q环路内部噪声：PLL内部各模块产生的噪声，如鉴相器和压控振荡器等部件。19从带宽的角度来看，PLL总体可分为两类：窄带PLL与宽带PLL。宽带PLL多应用于高精度频率源，而窄带PLL因其具有虑除噪声，恢复有用信号的特征，广泛应用于通信领域。若环路用作频率信号源，噪声与干扰会使输出信号频谱不纯，输出相位产生随机的抖动，频率稳定度变差；若环路用作通信的收发射机，则输出信噪比下降。较强的噪声与干扰还会使环路跟踪性能下降，失锁。同时，必然会增加环路捕获困难。EE141锁相技术 第五章

电荷泵锁相环

锁相环中相位噪声的定义与表达锁相环中相位噪声的定义与表达相位噪声在时域中称为抖动，是指波形的过零点围绕理想值随机波动，即相位的随机变化。在频域中，则表现为频率的变化。相噪或抖动是一个表述PLL频谱纯度的重要参数。20相位噪声和幅度噪声另外一个频谱纯度的参数是幅度噪声，它在频域和时域中的噪声表现如图(b)所示。显然，图(b)所示频谱图中，中心频率两边产生了大量的旁频。EE141锁相技术 第五章

电荷泵锁相环抖动（抖动（JitterJitter））q理想PLL的输出是一个非常纯的频谱的信号。从频域的角度来看，输出信号的频谱为基频和n次谐波。然而，实际的PLL电路中，周期波的过零点会随着时间变化而变化，这个过零点的变化在时域中称为抖动。q按照国际电信同盟（ITU）的定义，抖动（Jitter）是指在时间轴上的特定有效瞬间，信号在它们理想位置前后较小区间内的抖动。21EE141锁相技术 第五章

电荷泵锁相环根据测量方式的不同，主要有两类定量表征抖动的方式：根据测量方式的不同，主要有两类定量表征抖动的方式：周期周期-周期抖动（周期抖动（cycle-to-cyclejittercycle-to-cyclejitter）周期抖动（周期抖动（periodjitterperiodjitter）。）。q周期-周期抖动（cycle-to-cyclejitter）是指任意取两个相邻的周期，这两个周期之间的差，称为周期-周期抖动。22EE141锁相技术 第五章

电荷泵锁相环周期抖动周期抖动（periodjitterperiodjitter）是）是指将理想输出信号的波形与指将理想输出信号的波形与实际输出波形相比较。实际输出波形相比较。以n个周期为参考点（开始点），第个周期为参考点（开始点），第N个周期后，理想输个周期后，理想输出信号的波形的上升沿与实际输出波形上升沿的差别。出信号的波形的上升沿与实际输出波形上升沿的差别。显然，周期抖动显然，周期抖动（periodjitterperiodjitter）比周期比周期-周期抖动更有意周期抖动更有意义。义。23周期抖动周期抖动（（periodjitterperiodjitter）EE141锁相技术 第五章

电荷泵锁相环周期抖动周期抖动（（periodjitterperiodjitter））q周期抖动（periodjitter）一般有两种表示值：qPeak-to-Peak值（峰-峰值）：在第N个周期的上升沿可能出现的最大偏移值。qRMS值（均方根值）：指第N个周期上升沿相位变化的标准方差。24EE141锁相技术 第五章

电荷泵锁相环在周期抖动（periodjitter）的测量中：q如果N<10，那么周期抖动（periodjitter）称为短期周期抖动（short-termperiodjitter）；q如果N>1000，那么周期抖动（periodjitter）称为长期周期抖动（long-termperiodjitter）。q在以上讨论的抖动定义中，Peak-to-Peak值最大，RMS值次之，周期-周期抖动（cycle-to-cyclejitter）的值最小。25周期抖动周期抖动（（periodjitterperiodjitter）EE141锁相技术 第五章

电荷泵锁相环相位噪声相位噪声q信号时域中的抖动在频域的表现为相位噪声。q信号的功率谱密度的基频两旁存在一个能量裙或边带（sideband），这个能量裙称为相位噪声。相位噪声和抖动所描述的是不同域中的同一现象。26EE141锁相技术 第五章

电荷泵锁相环q在工程设计中，相位噪声通常定义为：在某一给定偏移频率处，单边带功率与载波信号功率之比：27相位噪声相位噪声[dBc/Hz]为频率在处1Hz带宽范围内信号的单边带功率。由于噪声是随机函数，根据窄带随机信号分析理论，推得相位噪声的功率谱和的关系：EE141锁相技术 第五章

电荷泵锁相环锁相环的噪声来源锁相环的噪声来源q输入噪声（等效为白高斯噪声）qPFD、CP非线性引起的噪声q环路滤波器的噪声，又称控制电压的噪声qVCO的噪声28PLL环路中主要有五个噪声源：多个噪声源的环路线性相位模型EE141锁相技术 第五章

电荷泵锁相环锁相环的噪声来源锁相环的噪声来源q输入信号的噪声包括：器件的热噪声、闪烁噪声、信号传输过程中的串扰等。q相位检测噪声是由于PFD和CP的非线性特性导致的噪声，如鉴频鉴相器的鉴相死区、电荷泵输出电流的不匹配、电荷泵开关的非理想特性等。q控制电压噪声主要来源：环路滤波器无源元件的热噪声和电源噪声。它的存在直接使VCO输出的振荡波形产生噪声。qVCO产生的噪声主要有：低频的1/f噪声、热噪声、电源噪声和衬底噪声。29以上分析可知：相位检测噪声，控制电压噪声，压控振荡器噪声属于PLL的内部噪声，是由PLL的内部模块产生的。在这五个噪声源中，输入噪声和压控振荡器的噪声是主要的噪声来源。EE141锁相技术 第五章

电荷泵锁相环电荷泵锁相环各噪声的频率响应电荷泵锁相环各噪声的频率响应30环路滤波器为： 设只有输入噪声显然，输入噪声的频率响应呈现低通滤波器特性，这说明环路带宽越小，对输入噪声的抑制能力越强。由于环路带宽与环路自然谐振频率，由式（5-38）可知，加大环路滤波器电容C或减小鉴相器增益和压控振荡器增益,可减小环路带宽。又由于电荷泵锁