鎖相環(huán)環(huán)路特性分析

曲曉華，高曉強(qiáng)，賈岳珉

（中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北 石家莊 050051）

0 引 言

隨著通信、雷達(dá)等領(lǐng)域的不斷發(fā)展，對(duì)鎖相環(huán)（Phase Locked Loop，PLL）的性能指標(biāo)要求越來越高，而鎖相環(huán)產(chǎn)品的性能指標(biāo)與鎖相環(huán)的環(huán)路特性息息相關(guān)，因此研究鎖相環(huán)系統(tǒng)的環(huán)路特性意義重大，只有了解影響環(huán)路特性的各個(gè)因素，才能有針對(duì)性地提出改善措施。

1 鎖相環(huán)基本電路單元結(jié)構(gòu)

復(fù)雜的頻率源系統(tǒng)通常是由單個(gè)或者多個(gè)鎖相環(huán)構(gòu)成，其中單個(gè)鎖相環(huán)是頻率源系統(tǒng)的基本單元，由參考信號(hào)、參考分頻器（R分頻器）、鑒頻鑒相器、電荷泵、射頻分頻器（N分頻器）、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。

圖1 鎖相環(huán)電路結(jié)構(gòu)

2 三階有源環(huán)路濾波電路結(jié)構(gòu)

與無源環(huán)路濾波器電路相比，有源環(huán)路濾波器輸出電壓不受電荷泵供電電壓的影響，可以適用更多的應(yīng)用場(chǎng)合，因此本文將針對(duì)有源環(huán)路濾波電路進(jìn)行分析[3]。

2.1 三階有源環(huán)電路結(jié)構(gòu)

三階有源環(huán)路濾波器的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 三階有源環(huán)路濾波器結(jié)構(gòu)

其中，ICP為電荷泵電流的輸入端口，VT為環(huán)路濾波器電壓輸出端口，VCC的電壓與電荷泵供電電壓相同，運(yùn)放的供電電壓根據(jù)實(shí)際使用情況確定。R11和R12為運(yùn)放正向輸入端口分壓電阻；C13、C14為電源濾波電容；R1、R2、R3、C1、C2、C3、C4、U1構(gòu)成了三階有源環(huán)路濾波電路結(jié)構(gòu)。

2.2 三階有源環(huán)路濾波器環(huán)路特性分析

三階有源環(huán)路濾波器的電路特性分析實(shí)質(zhì)是分析整個(gè)電路的交流信號(hào)特性，其交流等效電路如圖3所示。

圖3 三階有源環(huán)路濾波器交流等效電路

3 整個(gè)鎖相環(huán)路環(huán)路特性分析

因此從環(huán)路的傳輸函數(shù)中可以得到以下結(jié)論[4]：

（1）傳輸函數(shù)在0頻處的相位變化為180°，幅度變化為-40 dB/10倍頻程；

（2）每經(jīng)過一個(gè)極點(diǎn)，幅度變化增加-20 dB/10倍頻程；

（3）每經(jīng)過一個(gè)零點(diǎn)，幅度變化增加20 dB/10倍頻程；

（4）每經(jīng)過一個(gè)極點(diǎn)，相位從1/10極點(diǎn)頻率變化，到10倍極點(diǎn)頻率結(jié)束，總共變化-90°，極點(diǎn)頻率處變化-45°；

（5）每經(jīng)過一個(gè)零點(diǎn)，相位從1/10極點(diǎn)頻率變化，到10倍極點(diǎn)頻率結(jié)束，總共變化90°，極點(diǎn)頻率處變化45°。

在實(shí)際應(yīng)用中，通常求解環(huán)路時(shí)已知量為環(huán)路帶寬和相位余量，而環(huán)路帶寬和相位余量又由環(huán)路的零極點(diǎn)分布決定，根據(jù)傳輸函數(shù)公式，零極點(diǎn)的位置和R1、R2、R3、C1、C2、C3、C4相關(guān)[5]。

當(dāng)鑒相頻率為50 MHz，鎖定頻率為5 GHz，環(huán)路帶寬為500 kHz，相位余量為60°時(shí)，環(huán)路開環(huán)傳遞函數(shù)的幅值、相位特性如圖4，圖5所示。

圖4 開環(huán)幅值特性曲線

圖5 開環(huán)相位特性曲線

閉環(huán)相位噪聲曲線如圖6所示。

圖6 閉環(huán)相位噪聲曲線

4 產(chǎn)品制作及測(cè)試

為了驗(yàn)證文中對(duì)環(huán)路特性分析，設(shè)計(jì)并生產(chǎn)一款鎖相環(huán)產(chǎn)品，其中鑒相頻率為100 MHz，鎖定頻率為5 GHz，產(chǎn)品最終封裝為12 mm×15 mm×3 mm，產(chǎn)品照片如圖7所示。

圖7 產(chǎn)品照片

相位噪聲測(cè)試如圖8所示。

圖8 相位噪聲測(cè)試結(jié)果

從測(cè)試結(jié)果中可以看出，產(chǎn)品測(cè)試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果吻合。

5 結(jié) 論

本文分析了三階有源環(huán)路濾波器的環(huán)路特性，并進(jìn)行了實(shí)際產(chǎn)品制作及測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果完全吻合，驗(yàn)證了環(huán)路分析的正確性，對(duì)環(huán)路參數(shù)調(diào)整有重要的指導(dǎo)意義。