低功耗低噪聲寬帶鎖相環頻率綜合器設計

文/張文寶 唐民

1 鎖相環技術及頻率綜合器簡介

1.1 頻率發射其及其使用技術

頻率綜合是指通過將少量具有穩定頻率的線路進行頻率域的計算和結合，使之成為具有相同穩定程度、但總量更大頻率的一種技術手段。這種技術作為頻率綜合器的基本原理，使得頻率綜合器在現代電子系統發射機中充當著重要的作用。

現階段，頻率綜合器的頻率合成工作主要通過以下幾種技術完成：

1.1.1 直接頻率合成技術

直接頻率合成技術，顧名思義，就是指通過直接采樣產生波形，實現保持穩定性基礎上頻率量的提升。DDS技術具有頻率感應時間快、相位穩定且連貫性好等優點，但也有輸出受外界干擾大、進行信號輸出時頻率范圍小等缺點。

1.1.2 鎖相環頻率合成技術

鎖相環頻率合成技術能夠通過鎖相技術實現各段小頻率的隨意計算結合，從而達到頻率總量增加的目的。鎖相環頻率合成技術能夠在較低的成本范圍內進行隨意頻率量的合成，但是鎖相環頻率合成技術在進行頻率合成時，系統反應較慢。

1.1.3 將直接頻率合成技術與鎖相環頻率合成技術二者結合

這種DDS技術+PLL技術綜合，實現了二者優點的有效融合，從而使得頻率綜合器能夠對更為廣泛頻率進行合成，但是也保留了二者的缺點，使得其在某些發射臺使用受到了限制。

1.2 寬帶鎖相環工作原理

鎖相環是一種閉環的電路線路，利用鎖相環進行信號的追蹤時，能夠實現高精度、無頻率差的追蹤，最大程度的保證追蹤信號的準確度。鎖相環主要由鑒相器、環路濾波器以及壓控振蕩器三個部分組成。鑒相器能夠實現輸入信號以及鎖相環輸出信號的相位比較，產生基于兩者相位誤差的電壓，從而使環路濾波器能夠對二者信號誤差的程度進行分析以及后續誤差的消除；環路濾波器作為鎖相環的中間部分，能夠有效消除由鑒相器比對后產生的誤差，使環路工作性能滿足工作要求，達到環路穩定性提升的目的；壓控振蕩器的工作受到環路濾波器的輸出電壓控制，能夠保證其輸出信號和鑒相器輸入信號二者貼合，最大程度的減少頻率差，最終實現鎖相環工作環路的穩定。

現階段，利用鎖相環技術而工作的頻率綜合器，能夠有效地進行頻率的切換以及頻率的合成。這不僅提升了無線通信系統的啟動工作速度和信號傳輸速度，還實現了數據傳輸速度的提升以及信息保護能力的提高。

2 寬帶鎖相環頻率綜合器的低功耗、低噪聲研究

2.1 寬帶鎖相環頻率綜合器產生毛刺噪聲的原因

在寬帶鎖相環頻率綜合器進行工作時，低噪聲通常和寬帶是同時產生的，如果想要完全消除噪聲，那么寬帶鎖相環工作便會受到影響。現階段，寬帶鎖相環產生噪聲主要是由于線路電荷泵以及環路濾波器的靜態漏電而產生的，這種噪聲在日益縮小體積的頻率綜合器中并不能有效的消除，反而會由于寬帶鎖相環頻率綜合器進行頻率切割計算時不斷增大。

2.2 寬帶鎖相環頻率綜合器降低噪聲以及功耗的研究

首先，對寬帶鎖相環頻率綜合器的工作線路進行分析和研究，找到其工作線路和電荷泵的準確漏電位置。然后相關工作人員進行輔助電路的補充設置，使得這條輔助反饋電路能夠實現工作環路漏電的補償，實現通過減少電路靜態漏電而產生的噪聲。現階段，為減少由于電流大小失配引起的靜態誤差，主要有以下幾種方法。

（1）研究人員一般通過運用互補金屬氧化物半導體工藝實現頻率綜合器鎖定時間的確定，同時，利用CMOS，能夠實現鎖定時間的穩定，使得頻率綜合器的鎖定時間能夠在一定的溫度變化、工作誤差范圍內不出現劇烈的波動。

（2）采用調整環路濾波器零點與極點的時間常數的方法來實現。但是環路濾波器是一個積分器，要求采用較寬的補償電流脈沖來消除電流失陪配引起的相位噪聲，而鑒相器工作在脈沖采樣狀態，因此這種補償方法不能有效的抵消窄的電荷泵電流脈沖相位噪聲。

（3）補償電流脈沖寬度為壓控振蕩器輸出頻率周期的固定整數倍。這種補償方法的特點是補償電流脈沖的大小可以自動隨壓控振蕩器的振蕩周期改變而改變，當環路輸出頻率改變時，環路的相位補償增益可以保持不變。這種補償方法對于采樣時刻的限制明顯降低，當補償電流脈沖寬度遠小于壓控振蕩周期時也可以在參考時鐘的下降沿采樣。

現階段降低寬帶鎖相環頻率綜合器功耗以及噪聲，也可以通過改善壓控振蕩器的型號來實現。采用金氧半場效晶體管交叉負阻管能夠顯著降低耦合晶體管跨導的性能要求，從而保證頻率綜合器電路的對稱性，使得其在輸出信號時，能夠提高信號質量、降低信號輸出誤差，最終達到減少寄生電阻產生的噪聲。

3 結語

綜上所述，現階段低功耗低噪聲寬帶鎖相環頻率綜合器的功耗以及噪聲控制，主要是通過對鎖相環系統內的鑒相器、電荷泵、環路濾波器等進行輔助電路補充以及互補金屬氧化物半導體工藝運用來實現的。通過以上措施的應用，能夠實現頻率綜合器各模塊噪聲的明顯改善，使得寬帶鎖相環頻率綜合器在實際工作時能夠更好的滿足人們的工作需求，為我國現代電子系統的快速發展作出更為重要的貢獻。