基于ADIsimPLL 3.1的鎖相環環路濾波器設計

摘 要： 對鎖相環環路濾波器進行簡單分析，對ADIsimPLL 3.1模擬軟件的功能特點做了簡要介紹，并利用仿真軟件對一款頻率合成器的環路濾波器進行仿真設計，結果表明該軟件在設計應用中方便快捷，能夠幫助設計出滿足指標要求且性能穩定的環路濾波器。

關鍵詞： 環路帶寬； PLL； 環路濾波器； 壓控靈敏度

中圖分類號： TN713?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）15?0056?03

Design of PLL loop filter based on ADIsimPLL 3.1

GAO Li?jun

（Shaanxi Fenghuo Communication Group Co.， Ltd.， Baoji 721006， China）

Abstract： The PLL loop filter is analyzed simply. The functions and characteristics of simulation software ADIsimPLL 3.1 are introduced. In addition， ADIsimPLL 3.1 is adopted to carried out simulation design of a loop filter of frequency synthesizer. The results indicates the software have advantages in designs and applications， and can help design the loop filter with steady performances which can meet the requirements.

Keywords： bandwidth of loop； PLL； loop filter； VCO sensitivity

0 引 言

隨著通信技術在各個領域的高速發展，頻率合成器作為通信設備的重要組成部分，對其也提出了越來越高的設計要求，不但要能滿足寬的頻率范圍、高的頻率穩定度和準確度，而且要求其具有良好的雜散和相位噪聲、快速的頻率切換。

頻率合成技術是利用參考頻率源來產生具有一系列離散的、高準確度、高穩定度頻率信號的一項技術。鎖相式頻率合成器是利用鎖相環（PLL）將壓控振蕩器（VCO）的頻率鎖定在某一個頻率點上，由壓控振蕩器產生并輸出所需的頻率，這種方法輸出頻率穩定，雜散抑制好，輸出頻率范圍寬。隨著鎖相環電路集成化、數字化和小型化的不斷發展，已經出現了具有快鎖功能的鎖相環芯片，當前，鎖相式頻率合成技術得到了最為廣泛的應用。環路濾波器是鎖相環頻率合成器的關鍵部分，是頻率合成器設計中的一個最重要的環節，其參數的合理設計直接關系到頻率合成器輸出頻率信號的雜散、相位噪聲、穩定度及頻率轉換時間等多項指標，間接的影響通信系統的載波質量、接收性能、發射和接收信噪比、接收靈敏度及通信距離等。

1 環路濾波器參數分析

PLL頻率合成器的基本框圖如圖1所示。

圖1 PLL頻率合成器原理框圖

環路濾波器是由電阻、電容或者還有放大器組成的線性電路，是一種低通濾波器。它的作用是濾除掉來自PLL電路中鑒相器輸出電壓[Vd（t）]中的高頻成分和噪聲分量，得到一個干凈的控制電壓[Vc（t）]去控制壓控振蕩器的頻率輸出。環路濾波器包括有源環路濾波器和無源環路濾波器，可根據所選用的鎖相環芯片和壓控振蕩器來確定環路濾波器的形式。

環路濾波器的主要指標包含：環路帶寬、鎖定時間、直流增益、高頻增益和阻尼系數等。其各項參數是根據環路中的VCO增益、電荷泵增益以及鑒相器的分頻比而設計的。

環路參數設計中最為重要的參數是環路帶寬，環路帶寬與參考頻率、PFD和環路LP相位噪聲成正比關系，它與VCO的相位噪聲、鎖定時間和分辨率成反比關系。設計中進行環路帶寬參數的合理選擇有利于VCO的相位噪聲、鎖定時間、系統分辨率等多項指標的兼顧。

環路濾波器設計中需滿足的參數指標高、受到的因素多，設計過程中計算公式復雜，難度較大。ADIsim PLL 3.1仿真軟件具有強大的模擬仿真功能，可利用其進行模擬仿真設計，快捷方便、準確合理的設計出穩定的環路濾波器，降低設計過程中的計算量，大大提高設計效率，因而在鎖相環頻率合成技術中得到了廣泛的應用。

2 ADIsimPLL 3.1功能介紹

ADIsimPLL 3.1是一款全面的PLL頻率合成器設計和仿真工具，此軟件具有性能優良的模擬設計能力， 其設計環境是基于ADI系列鎖相環芯片而設計的， 因此，對ADI的鎖相環芯片而言， 可以充分利用ADIsim PLL 3.1的強大功能， 將環路濾波器設計得盡可能完美，而對具有相似功能的頻率合成器PLL芯片而言， 可以對模擬仿真結果做一些必要的參數調整和修正， 對環路濾波器的設計和性能提高也是很有幫助的。總之，ADIsimPLL 3.1設計仿真軟件的應用領域是十分廣泛的。

ADIsimPLL 3.1設計仿真軟件的主要特點有：適用頻率范圍可達6 GHz；具有整數分頻和小數分頻兩種分頻模式可供選擇；具有多種的環路濾波器電路形式可供選擇；參考頻率源可根據需求選擇應用；包含豐富的可供選擇的PLL芯片；可仿真頻率合成器輸出的相位噪聲及雜散指標結果；對頻率轉換時間可進行模擬輸出；按照仿真結果模擬分析出所需電路的相關元器件參數。

3 環路濾波器的設計應用

實際工作中擬設計一款頻率合成器，其相關技術指標要求包括：頻率范圍滿足600～658 MHz；頻率間隔為25 kHz；相位噪聲滿足-90 dBc/Hz@10 kHz和-135 dBc/Hz@1 MHz；頻率切換時間不大于2 ms。根據設計要求，參考頻率源定為10 MHz溫補振蕩器，其頻率穩定度可達6×10-7，可滿足系統所要求的頻率穩定度，鎖相環芯片選擇ADI公司的ADF4156，該芯片具有高達6 GHz的RF輸入頻率，可滿足輸出頻率范圍要求，另外此芯片具有小數分頻功能，可實現25 kHz的頻率間隔，由于ADF4156芯片的[Vp]最大值為5.5 V，壓控振蕩器的壓控靈敏度為15 MHz/V，盡可能低的壓控靈敏度有利于輸出相位噪聲指標的提高。

對鎖相環電路及壓控振蕩器選定后，下面進入工作重點，即環路濾波器的設計，設計中根據選擇的鎖相環ADF4156，環路濾波器選三階的無源濾波器，電路形式如圖2所示。

圖2 三階無源濾波器

圖2中電容器[C1]將來自電荷泵（ADF4156的CP腳）的脈沖轉化為直流電壓，但是根據對開環傳遞函數分析，它會引起環路的不穩定性，引入了電阻器[R1]和電容器[C2]是為了穩定環路， 但同時又帶來的相應的紋波干擾， 電阻器[R2]和電容器[C3]能夠濾除紋波干擾，同時可以濾除由鑒相頻率帶來的雜散分量。

設計中環路帶寬的參數確定是非常重要的，從環路噪聲帶寬來看，[BL]應該選擇最小值，從環路穩定性來看，[ξ]（阻尼系數）越大環路越穩定。由于設計要求中對頻率切換時間的要求為不小于2 ms，在環路帶寬的選擇上可以進行折衷，從而兼顧噪聲抑制、頻率切換時間和環路的穩定性。

根據設計要求在ADIsimPLL 3.1的設計界面中需要進行各項參數的設置，首先選擇PLL芯片ADF4156，進行一系列的參數配置：工作頻率范圍[fmin]=600 MHz，[fmax]=658 MHz；鑒相頻率選擇[fPFD]=1 MHz；設置MOD值為8，即可實現的頻率間隔；設置[VP]=5.2 V，最高可設置5.5 V；環路濾波器電路格式選擇CPP_3C；壓控靈敏度[KV]=15 MHz/V；參考頻率的輸入為10 MHz（溫補晶體振蕩器輸入）；環路帶寬[BL]設置為5 kHz。

各項參數設置完成后選擇“完成”，進行模擬仿真計算，環路濾波器的仿真結果可以清楚地顯示出相位噪聲曲線、頻率切換時間、雜散分布以及環路增益等多項仿真結果，并生成環路濾波器各電阻器和電容器的參數值。最后，可根據工程設計的要求，對相應器件的參數值進行調整，以滿足實際應用中工程設計的要求，參數調整過程中，所有仿真結果是可以實時更新的，這樣有利于調整過程中對仿真結果的掌握。

基于以上仿真參數的設置，模擬仿真出的電路原理圖如圖3所示。

頻率切換時間的仿真結果如圖4所示。

仿真結果顯示，頻率轉換過程中達到下一頻點穩定狀態的切換時間為1.26 ms，可滿足設計要求中頻率切換時間不大于2 ms的要求。

相位噪聲的仿真結果如圖5所示。

圖3 模擬仿真的電路原理圖

圖4 模擬頻率切換時間的仿真結果

圖5 相位噪聲的仿真結果

模擬輸出的PLL相位噪聲為輸出頻率在628 MHz（中間頻率）頻率點上的相位噪聲曲線，從圖中可看到相位噪聲分布：-105 dBc/Hz@10 kHz；1 MHz處可優于-160 dBc/Hz，能滿足設計要求。

根據仿真結果對PCB（印制電路板）中的環路濾波器進行參數配置，經過裝配調試，并與控制電路進行聯試及指標測試，電路正常工作，達到了設計預期目標，測試結果與仿真結果基本達到一致，滿足頻率輸出范圍600～658 MHz，最大頻率切換時間可達到1.45 ms（使用儀器為安捷倫公司的信號綜合測試儀E5052B），相位噪聲測試結果為-103 dBc/Hz@10 kHz，-155 dBc/Hz@1 MHz（使用儀器為PN9000），雜散指標在全頻段范圍內可達到-75 dBc，頻率穩定度可滿足要求（溫補晶體振蕩器指標保證），頻率合成器在要求的溫度范圍（-40～60 ℃）各項工作性能穩定。

4 結 語

通過利用ADIsimPLL 3.1模擬仿真軟件，進行基于ADF4156頻率合成器芯片的環路濾波器的成功設計，由理論設計指導工程實際，提高了工作效率，減輕了設計過程中繁重的計算量，始終能夠將設計目的和設計過程有效地結合在一起，有助于簡捷快速的設計出符合要求的頻率合成器的環路濾波器。舉一反三，在設計過程中可廣泛的應用模擬仿真軟件，進行前期的理論分析指導，對實際的設計工作將有很大的幫助。

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