基于ADF4117的電荷泵型鎖相環(huán)設計

摘要：電荷泵型鎖相環(huán)的設計主要集中在環(huán)路濾波器。為了解決各種環(huán)路濾波器對鎖定時間要求較高，并在環(huán)路帶寬較寬的應用中對參考頻率附近雜散抑制不夠，因而致使鎖相環(huán)相位噪聲及雜散惡化的問題。文中以ADF4117為基礎，給出了一種帶三階無源環(huán)路濾波器的電荷泵型鎖相環(huán)的設計方法。該方法能有效抑制雜散，使鎖相環(huán)輸出達到良好的相位噪聲及雜散指標。
關鍵字：鎖相環(huán)；電荷泵；ADF4117；環(huán)路濾波器；相位噪聲

0 引言
電荷泵型鎖相環(huán)可由參考分頻器、可編程分頻器、鑒相器及電荷泵、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器構成。電荷泵是一種可在鑒相器控制下把電荷分配給環(huán)路濾波器的電子開關。電荷泵與二階無源環(huán)路濾波器組合可構成一個三階鎖相環(huán)，以滿足更多應用場合的要求。但是分頻器和電荷泵以參考頻率的速率切換電流，電流切換噪聲會在VCO輸出頻率中產(chǎn)生FM調制，從而致使三階鎖相環(huán)無法滿足一些特殊場合的要求，特別是在一些對鎖定時間要求較高的應用中，其要求環(huán)路帶寬較寬，而三階鎖相環(huán)環(huán)路對參考頻率附近的電流切換雜散抑制可能不夠。因此，在這些設計中，基于原來的二階環(huán)路濾波器的基礎，增加一個極點，就可使環(huán)路在高頻段有足夠的衰減特性，從而有效抑制上述雜散。
本文以ADI公司的電流型電荷泵的PLL集成芯片ADF4117為例，給出了一種應用于電荷泵鎖相環(huán)中的三階無源環(huán)路濾波器的設計方法，同時分析了泵鎖相環(huán)的環(huán)路，并給出了仿真及實驗結果。

1 電荷泵鎖相環(huán)環(huán)路分析
圖1所示是電荷泵型鎖相環(huán)的基本結構，該電荷泵鎖相環(huán)的環(huán)路主要由參考晶振、鑒相(鑒頻)器、電荷泵、環(huán)路濾波器，壓控振蕩器
(VCO)及分頻器(固定或可編程的參考分頻器及主分頻器)組成。其工作過程是將壓控振蕩器輸出頻率反饋到主分頻器后分頻產(chǎn)生的fP與參考晶振經(jīng)分頻后得到的參考分頻輸出fr在鑒相(鑒頻)器中比較，以得到相差(頻差)輸出φP和φr，然后將φP和φr作為電荷泵的開關信號，去控制電荷泵輸出電流Do，再通過環(huán)路濾波器得到的電壓信號去控制壓控振蕩器(VCO)的頻率輸出。

雖然每一個鎖相環(huán)都是非線性的，但大多數(shù)鎖相環(huán)在鎖定狀態(tài)下則可以用線性系統(tǒng)的分析技術。圖2所示是一個電荷泵鎖相環(huán)的線性模型。

電荷泵鎖相環(huán)的線性模型可以用開環(huán)增益及閉環(huán)增益來描述，也可用前向增益及反饋增益來描述，其增益可表述為：

其中：kVCO(MHz／V)為壓控振蕩器(VCO)的調諧靈敏度；Kφ(mA／2π)為鑒相(鑒頻)因子(電荷泵電流增益)，其值等于鑒相器輸出電流與輸入信號的相位差之比：N為主分頻比，是壓控振蕩器的輸出頻率與鑒相(鑒頻)器的工作頻率之比。
在設計中，KVCO、Kφ、N均為常數(shù)，由式(1)可知，除去環(huán)路濾波器的環(huán)路，開路可認為是個比例積分環(huán)節(jié)，環(huán)路濾波器則可視為對環(huán)路的補償，因而在選定鑒相(鑒頻)因子、電荷泵電流增益及壓控振蕩器(VCO)的調諧靈敏度KVCO后，整個系統(tǒng)的性能即可由環(huán)路濾波器的性能快定。
而鎖相環(huán)則應在保證穩(wěn)定性的前提下，盡量降低相位噪聲，提高響應速度。這就要求設計應足夠相位裕度，并且合理選擇環(huán)路帶寬。根據(jù)控制理論，對于開環(huán)穩(wěn)定的系統(tǒng)，欲使閉環(huán)穩(wěn)定，其相位裕度必須為正。一個良好的控制系統(tǒng)，通常要求相位裕度為40°～60°。本設計選擇的相位裕度為45°。