基于ADF4117的電荷泵型鎖相環設計

摘要：電荷泵型鎖相環的設計主要集中在環路濾波器。為了解決各種環路濾波器對鎖定時間要求較高，并在環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路濾波器的電荷泵型鎖相環的設計方法。該方法能有效抑制雜散，使鎖相環輸出達到良好的相位噪聲及雜散指標。
關鍵字：鎖相環；電荷泵；ADF4117；環路濾波器；相位噪聲

0 引言
電荷泵型鎖相環可由參考分頻器、可編程分頻器、鑒相器及電荷泵、環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路濾波器的電子開關。電荷泵與二階無源環路濾波器組合可構成一個三階鎖相環，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輸出頻率中產生FM調制，從而致使三階鎖相環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，其要求環路帶寬較寬，而三階鎖相環環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，基于原來的二階環路濾波器的基礎，增加一個極點，就可使環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中的三階無源環路濾波器的設計方法，同時分析了泵鎖相環的環路，并給出了仿真及實驗結果。

1 電荷泵鎖相環環路分析
圖1所示是電荷泵型鎖相環的基本結構，該電荷泵鎖相環的環路主要由參考晶振、鑒相(鑒頻)器、電荷泵、環路濾波器，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生的fP與參考晶振經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。

雖然每一個鎖相環都是非線性的，但大多數鎖相環在鎖定狀態下則可以用線性系統的分析技術。圖2所示是一個電荷泵鎖相環的線性模型。

電荷泵鎖相環的線性模型可以用開環增益及閉環增益來描述，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，由式(1)可知，除去環路濾波器的環路，開路可認為是個比例積分環節，環路濾波器則可視為對環路的補償，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，整個系統的性能即可由環路濾波器的性能快定。
而鎖相環則應在保證穩定性的前提下，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，并且合理選擇環路帶寬。根據控制理論，對于開環穩定的系統，欲使閉環穩定，其相位裕度必須為正。一個良好的控制系統，通常要求相位裕度為40°～60°。本設計選擇的相位裕度為45°。