锁相环频率合成器的原理与设计

1、锁相环频率合成器的原理与设计2.1锁相环的基本原理和基本公式对于现代移动通信中的移动台来说，频率合成器是由锁相环路(PLL)构成的。锁相环是一种相位负反馈 系统，它利用环路的窄带跟踪与同步特性将鉴相器一端VCO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同的频率 稳定度。一个典型的频率合成器原理框图如图1所示。设 晶振的输出频率为fr，VCO输出频率为fo，则它们满足公式：得?氯n鉴相馅其中R和N分别为参考分频器和主分频器的分频比，在外部设置并行或串行数据控制分频 比，就可以产生出所需要的频率信号。用锁相环构成的频率合成器具有频率稳定度高、相位 噪

2、声小、电路简单易集成、易编程等特点。控制数p厂12盘 数据寄存尸希物听 tI图1领相环频率合成器的原理框图随着大规模集成电路的应用，参考分频器、鉴相器和主分频器以及进行程序控制的寄存 器能够集成在一块芯片中，如图1中虚线框所示，这样整个电路就仅由一个PLL芯片、一片 晶振、一片VCO以及环路滤波器等分立元件组成，大大减小了体积，也降低了设计难度。下面对锁相环同步状态下的线性性能进行分析。锁相环是传递相位的闭环系统，只要研究环路的相位数学模型或其基本方程就可以获得环 路 的完整性能。根据图1所示，设 i为晶振经R分频器分频之后的相位，0 o为VCO输出 相 位，0 o为VCO经N分频器分频之后的

3、相位，0 e为鉴相器的输出相位，环路的基本函 数可以表示为：(1)闭环传递函数:He专汀法/(2)(2)开环传递函数：Ho(s) = y = G(s)H(s)(3)其中 G(s) = KKveoFUJ/s称做前向传递函数，H(s) = l/N称做后向传递函数，Ke为鉴相器的缪相增益，Kvw为VCO的压控灵敏度，FQ)为环路滤波器的传递函数“2.2锁相环的设计鉴相器在目前应用的小型频率合成器电路中，广泛采用电流泵型数字式鉴频鉴相器，其输出为数 字的电流信号I(t)，I(t)的宽度反映了两输入信号的相位差值，极性则反映了两输入信号 的相 位差的正负。在鉴相器之后的环路滤波器将电流信号转变为电压，控

4、制VCO的变化。它 具有以下特点：环路的相位锁定性能具有理想二阶环的特性。输出纹波小。具有鉴频鉴相的功能，鉴相范围宽，捕捉带等于同步带。便于集成，调整方便，性能可靠。环路滤波器环路滤波器有无源和有源两种形式，考虑到体积与噪声等因素，在手机中一般采用无源三 阶 环路滤波器。具体电路如图2所示。该滤波器是由C1、C2、R2组成的二阶滤波器和R3、C3组成的辅助滤波器所 合成，可以 将电流泵鉴相器输出的鉴相电流转换成控制电压。辅助滤波器的作用是抑制鉴相频率的输出纹波，而对整个滤波器的极点没有影响，所以在推算环路方程时，可以不做 考虑。2无源三阶环路滤波器vcoCl、C2、R 2组成的二阶滤波器的阻抗

5、为:=(CQRw)+ sC sCj代入公式(2),求得环路的闭环传递函数为 KpoKvcot)Up/c) - ；(*) - NsKpoKy0(sR2C2 + 1)1 ； 1 + G(s)H(s) - * KpdKvcoF(s)wCiCj& + s2( C + C2)+ sKppKvcoRwG + KpfKvco(5)该环路为三阶环路，在工程上可以进行近似，当满足CKC2/10时，有:Kgg + l)s + $ s +s NKpdKwxjRz Kpy)Kvco这一传递函数与采用理想积分滤波器的环路闭环传递函数完全相同，所以，采用该滤波器 的环路可以近似等效为理想积分二阶环路。因此可以写出环路的固

6、有频率和阻尼系数分别为:(7)(10)/KvcoKpo环路的参数可由此确定为:厂 KpuK心C2=rNG 可选择为:C2/151 C2/IO辅助滤波器的选取以不影响环路带宽和截止频率要低于鉴相频率为度，但应注意C3 实际上包含了 VCO变容管的并联电容，所以实际的C3值要小于理论值。3环路中相位噪声和锁定时间的分析在通信接收机中，频率合成器的相位噪声是影响接收机性能的因素之一。由射频前端频率 合成器的相位噪声引起的倒易混频会导致信噪比变差，在进行频率合成器设计时就要考虑使 相位噪声达到电路指标，消除因相位噪声变差带来的影响。3.1带内噪声的分析在一般情况下，环路的带内相位噪声由鉴相器、分频器和晶振的噪声决定，而带外相位噪 声主要由VCO决定。张冠百编 锁相与频率合成技术 北京：电子工业出版社，1986Recommended Minimum Performance Standard for Dual Mode Wideband Sp read Spectrum CellularMobile Station TIA / EIA IS 98 A Interim Standard，Apri l， 1996Mobile Station Base Station Compatibility Standard for Dual Mode Wideband Spread Spectru