用于高頻接收器和發(fā)射器的鎖相環(huán)-第一部分

　　第一部分將重點(diǎn)介紹有關(guān)PLL的基本概念，同時(shí)描述基本PLL架構(gòu)和工作原理，另外，我們還將舉例說(shuō)明PLL在通信系統(tǒng)中的用途。最后，我們將展示一種運(yùn)用ADF4111頻率合成器和VCO190-902T電壓控制振蕩器的實(shí)用PLL電路。

　　在第二部分中，我們將詳細(xì)考察與PLL相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)規(guī)格：相位噪聲、參考雜散和輸出漏電流。導(dǎo)致這些因素的原因是什么，如何將其影響降至最低?它們對(duì)系統(tǒng)性能有何影響?

　　最后一部分將詳細(xì)描述構(gòu)成PLL頻率合成器的各個(gè)模塊以及ADI頻率合成器的架構(gòu)。同時(shí)還將簡(jiǎn)要總結(jié)目前市場(chǎng)上有售的頻率合成器和VCO，同時(shí)列出ADI的現(xiàn)有產(chǎn)品。

　　PLL基本原理

　　鎖相環(huán)是一種反饋系統(tǒng)，其中電壓控制振蕩器和相位比較器相互連接，使得振蕩器頻率(相位)可以準(zhǔn)確跟蹤施加的頻率或相位調(diào)制信號(hào)的頻率。鎖相環(huán)可用來(lái)從固定的低頻信號(hào)生成穩(wěn)定的輸出頻率信號(hào)。首批鎖相環(huán)由法國(guó)工程師de Bellescize在20世紀(jì)30年代初實(shí)現(xiàn)。然而，直到20世紀(jì)60年代中期，集成式PLL成為一種成本相對(duì)較低的元件之后，鎖相環(huán)才得到市場(chǎng)的廣泛認(rèn)可。

　　一般而言，可以把鎖相環(huán)分析為一種帶一個(gè)正向增益項(xiàng)和一個(gè)反饋?lái)?xiàng)的負(fù)反饋系統(tǒng)。

　　基于電壓的負(fù)反饋系統(tǒng)的簡(jiǎn)單框圖如圖1所示。

　　圖1.標(biāo)準(zhǔn)負(fù)反饋控制系統(tǒng)模型。

　　在鎖相環(huán)中，來(lái)自相位比較器的誤差信號(hào)為輸入頻率或相位與反饋信號(hào)頻率或相位之差。穩(wěn)態(tài)下，系統(tǒng)會(huì)強(qiáng)制使頻率或相位誤差信號(hào)歸零。其適用負(fù)反饋系統(tǒng)的一般公式。

　　受環(huán)路中積分的影響，在低頻下，穩(wěn)態(tài)增益G(s)較高且

　　PLL中會(huì)增大環(huán)路增益的元件包括：

　　1.鑒相器(PD)和電荷泵(CP)。

　　2.環(huán)路濾波器，其傳遞函數(shù)為Z(s)

　　3.電壓控制振蕩器(VCO)，其靈敏度為KV /s

　　4.反饋分頻器，1/N

　　圖2.基本鎖相環(huán)模型。

　　如果將一個(gè)線性元件(如四象限乘法器)用作鑒相器并且環(huán)路濾波器和VCO也為模擬元件，則將其稱為模擬或線性PLL (LPLL)。

　　如果使用的是數(shù)字鑒相器(EXOR柵極或J-K觸發(fā)器)并且所有其他元件保持不變，則系統(tǒng)稱為數(shù)字PLL (DPLL)。

　　如果PLL完全用數(shù)字模塊構(gòu)建而成，不帶任何無(wú)源元件或線性元件，則稱為全數(shù)字PLL (ADPLL)。

　　最后，有了數(shù)字化的信息，再加上足夠快的處理能力，也可以在軟件域開發(fā)PLL。PLL功能由軟件執(zhí)行并在DSP上運(yùn)行。這稱為軟件PLL (SPLL)。

　　根據(jù)圖2，當(dāng)系統(tǒng)使用PLL來(lái)生成高于輸入的頻率時(shí)，VCO會(huì)以角頻率ωD振蕩。該頻率/相位信號(hào)的一部分會(huì)通過(guò)分頻器以1/N的比率回饋到誤差檢測(cè)器。這種經(jīng)過(guò)分頻的頻率會(huì)饋入誤差檢測(cè)器的一個(gè)輸入端。本例中，另一路輸入為固定參考頻率/相位。誤差檢測(cè)器會(huì)比較兩個(gè)輸入端的信號(hào)。當(dāng)這兩個(gè)信號(hào)輸入的相位和頻率相等時(shí)，誤差為零，環(huán)路則處于“鎖定”條件下。如果我們只看誤差信號(hào)，則可得到以下等式。

　　在商用PLL中，鑒相器和電荷泵共同構(gòu)成誤差檢測(cè)器模塊。當(dāng)FO ≠ N FREF時(shí)，誤差檢測(cè)器將向低通環(huán)路濾波器輸出源/吸電流脈沖。這會(huì)使電流脈沖穩(wěn)定轉(zhuǎn)換為電壓，用以驅(qū)動(dòng)VCO。然后，VCO頻率會(huì)根據(jù)需要以KV ΔV的幅度增減，其中，KV 為VCO靈敏度(單位：MHz/V)，ΔV 為VCO輸入電壓的變化。這一過(guò)程會(huì)持續(xù)進(jìn)行，直到e(s)變?yōu)榱銥橹梗瑢脮r(shí)環(huán)路將鎖定。可見，電荷泵和VCO充當(dāng)一個(gè)積分器，用于將其輸出頻率增加或減小至所需值，以(從鑒相器)將其輸入恢復(fù)至零。

　　圖3.VCO傳遞函數(shù)。

　　簡(jiǎn)單而言，PLL的總傳遞函數(shù)(CLG或閉環(huán)增益)可以用上面給出的負(fù)反饋系統(tǒng)的CLG表達(dá)式來(lái)表示。

　　當(dāng)GH遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1時(shí)，我們可以說(shuō)，PLL系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為N，因此，

　　環(huán)路濾波器屬于低通類濾波器，一般有一個(gè)極點(diǎn)和一個(gè)零點(diǎn)。環(huán)路的瞬態(tài)響應(yīng)取決于：

　　1. 極點(diǎn)/零點(diǎn)的幅度，

　　2. 電荷泵幅度，

　　3. VCO靈敏度，

　　4. 反饋因子N。

　　在設(shè)計(jì)環(huán)路濾波器時(shí)，必須考慮所有上述因素。此外，設(shè)計(jì)濾波器時(shí)必須以穩(wěn)定為第一要?jiǎng)?wù)(通常建議使相位裕量達(dá)π/4)。響應(yīng)的3-dB截止頻率通常稱為環(huán)路帶寬BW。大環(huán)路帶寬會(huì)導(dǎo)致超快的瞬態(tài)響應(yīng)。然而，這種結(jié)果并非始終都有利，因?yàn)椋腿缥覀儗⒃诘诙糠挚吹降哪菢?，快瞬態(tài)響應(yīng)與參考雜散衰減之間存在權(quán)衡問(wèn)題。

　　PLL在頻率上調(diào)中的應(yīng)用

　　利用鎖相環(huán)，可以從低頻基準(zhǔn)電壓源產(chǎn)生穩(wěn)定的高頻。要求穩(wěn)定高頻調(diào)諧的任何系統(tǒng)都可以從PLL技術(shù)中受益。這些應(yīng)用示例包括無(wú)線基站、無(wú)線手機(jī)、尋呼機(jī)、閉路電路系統(tǒng)、時(shí)鐘恢復(fù)和時(shí)鐘生成系統(tǒng)。GSM手機(jī)或基站就是PLL應(yīng)用的一個(gè)很好的例子。圖4顯示了GSM基站的接收部分。

　　在GSM系統(tǒng)中，有124個(gè)寬度為200-kHz的RF頻段通道(每個(gè)通道8個(gè)用戶)。占用的總帶寬為24.8 MHz，必須對(duì)這些帶寬掃描以檢查活動(dòng)狀況。手機(jī)的發(fā)射(Tx)范圍為880 MHz至915 MHz，接收(Rx)范圍為925 MHz至960 MHz。相反，基站的Tx范圍為925 MHz至960 MHz，Rx范圍為880 MHz至915 MHz。對(duì)于本例，我們只考慮基站發(fā)射和接收部分。GSM900和DCS1800基站系統(tǒng)的頻段如表1所示。表2展示的是表1所列頻段范圍內(nèi)的載波頻率的通道編號(hào)(RF通道)。Fl(n)為RF通道低頻段(Rx)的中心頻率，F(xiàn)u(n)為高頻段(Tx)的對(duì)應(yīng)頻率。

　　圖4.GSM基站接收器的信號(hào)鏈。

　　對(duì)900-MHz RF輸入濾波、放大并施加到第一級(jí)混頻器。另一個(gè)混頻器輸入端用調(diào)諧本振(LO)驅(qū)動(dòng)。本振必須對(duì)輸入頻率范圍掃描，以檢查任何通道上的活動(dòng)狀況。實(shí)際上，LO是運(yùn)用前面已經(jīng)描述過(guò)的PLL技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如果第一中頻(IF)級(jí)的中心位于240 MHz，則LO的頻率范圍必須為640 MHz至675 MHz，才能覆蓋RF輸入頻段。當(dāng)選擇200-kHz的參考頻率時(shí)，可以按200 kHz的步長(zhǎng)，在整個(gè)頻率范圍內(nèi)對(duì)VCO輸出排序。例如，如果需要650 MHz的輸出頻率，則N的值為3250。該650-MHz的LO會(huì)有效地檢查890-MHz RF通道(FRF – FLO = FIF 或 FRF = FLO + FIF)。當(dāng)N增至3251時(shí)，LO頻率為650.2 MHz，檢查的RF通道為890.2 MHz。如圖5所示。

　　圖5.GSM基站接收器的測(cè)試頻率。

　　值得注意的是，除了可調(diào)諧RF LO以外，接收器部分也采用了固定IF(在所示例子中為240 MHz)。盡管該IF并不需要頻率調(diào)諧，但仍然采用了PLL技術(shù)。其原因在于，運(yùn)用穩(wěn)定的系統(tǒng)參考頻率來(lái)產(chǎn)生高頻IF信號(hào)不失為一種經(jīng)濟(jì)的方式。多家頻率合成器制造商已經(jīng)意識(shí)到這一事實(shí)，推出了雙版本器件：一個(gè)版本支持較高RF頻率(>800 MHz)，另一個(gè)版本支持較低IF頻率(500 MHz或以下)。

　　在GSM系統(tǒng)的發(fā)射端也存在類似的要求。然而，更常見的做法是直接從基帶上變頻為發(fā)射部分的最終RF;這意味著，基站的典型TX VCO的范圍為925 MHz至960 MHz(發(fā)射部分的RF頻段)。

　　電路示例

　　圖6顯示了GSM手機(jī)發(fā)射部分本振的實(shí)際實(shí)現(xiàn)方式。我們假設(shè)，基帶直接上變頻為RF。該電路采用了來(lái)自ADI的新型ADF4111 PLL頻率合成器，以及來(lái)自Vari-L公司的VCO190-902T電壓控制振蕩器(http://www.vari-L.com/)。

　　參考輸入信號(hào)施加于電路的FREFIN，其端接電阻為50 Ω。在GSM系統(tǒng)中，該參考輸入頻率的典型值為13 MHz。為了使通道間距為200 kHz(GSM標(biāo)準(zhǔn))，必須運(yùn)用ADF4111的片內(nèi)參考分頻器，將參考輸入除以65。

　　ADF4111是一款整數(shù)N PLL頻率合成器，最高支持1.2 GHz的RF工作頻率。在該整數(shù)N型頻率合成器中，可以按離散整數(shù)步長(zhǎng)，在96至262,000范圍內(nèi)對(duì)N編程。對(duì)于手機(jī)發(fā)射器，如果所需輸出范圍為880 MHz至915 MHz，并且內(nèi)部參考頻率為200 kHz，則所需N值的范圍為4400至4575。

　　ADF4111的電荷泵輸出(引腳2)驅(qū)動(dòng)環(huán)路濾波器?；径?，該濾波器(圖2中的Z(s))是一款一階滯后-超前型濾波器。在計(jì)算環(huán)路濾波器元件值時(shí)，需要考慮多個(gè)事項(xiàng)。在本例中，環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)宗旨是使系統(tǒng)的整體相位裕量為45度。其他PLL系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格如下：

　　KD = 5 mA

　　KD = 5 mA

　　KV = 8.66 MHz/V

　　KV = 8.66 MHz/V

　　Loop Bandwidth = 12 kHz

　　環(huán)路帶寬 = 12 kHz

　　FREF = 200 kHz

　　FREF = 200 kHz

　　N = 4500

　　N = 4500

　　Extra Reference Spur Attenuation = 10 dB

　　額外參考雜散衰減 = 10 dB

　　所有這些技術(shù)規(guī)格都需要用來(lái)計(jì)算環(huán)路濾波器元件值，如圖6所示。

　　環(huán)路濾波器輸出驅(qū)動(dòng)VCO，然后饋入PLL頻率合成器的RF輸入端，同時(shí)驅(qū)動(dòng)RF輸出通道。用一個(gè)帶18 ?電阻的T型電路配置在ADF4111的VCO輸出、RF輸出和RFIN引腳之間提供50 ?匹配。

　　在PLL系統(tǒng)中，知道系統(tǒng)何時(shí)鎖定十分重要。在圖6中，這是通過(guò)利用ADF4111的MUXOUT信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的?？稍O(shè)置MUXOUT引腳來(lái)監(jiān)控頻率合成器中的各種內(nèi)部信號(hào)。其中之一是LD或鎖定檢測(cè)信號(hào)。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)選用MUXOUT以選擇鎖定檢測(cè)時(shí)，就可以在系統(tǒng)中用MUXOUT來(lái)觸發(fā)個(gè)輸出功率放大器。

　　ADF4111用一個(gè)簡(jiǎn)單的4級(jí)串行接口來(lái)與系統(tǒng)控制器通信。參考計(jì)數(shù)器、N計(jì)數(shù)器和各種其他片內(nèi)功能都是通過(guò)該接口進(jìn)行編程的。

　　結(jié)論

　　在本系列的第一部分中，我們借助一些簡(jiǎn)單的框圖和等式，介紹了PLL的基本概念。我們還展示了一個(gè)典型的例中，說(shuō)明了PLL結(jié)構(gòu)的用武之地，并詳細(xì)描述了一種實(shí)際實(shí)現(xiàn)方法。

　　在下一部分中，我們將進(jìn)一步探討對(duì)PLL至關(guān)重要的技術(shù)規(guī)格，并討論它們對(duì)系統(tǒng)的意義。

　　參考文獻(xiàn)

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　　Figure 6. Transmitter local oscillator for GSM handset.

　　圖6.GSM手機(jī)的發(fā)射器本振。