鎖相環(huán)頻率合成器的原理與設(shè)計

1、鎖相環(huán)頻率合成器的原理與設(shè)計2.1鎖相環(huán)的基本原理和基本公式對于現(xiàn)代移動通信中的移動臺來說，頻率合成器是由鎖相環(huán)路(PLL)構(gòu)成的。鎖相環(huán)是一種相位負(fù)反饋 系統(tǒng)，它利用環(huán)路的窄帶跟蹤與同步特性將鑒相器一端VCO的輸出相位與另一端晶振參考的相位保持同步，實現(xiàn)鎖定輸出頻率的功能， 同時可以得到和參考源相同的頻率 穩(wěn)定度。一個典型的頻率合成器原理框圖如圖1所示。設(shè) 晶振的輸出頻率為fr，VCO輸出頻率為fo，則它們滿足公式：得?氯n鑒相餡其中R和N分別為參考分頻器和主分頻器的分頻比，在外部設(shè)置并行或串行數(shù)據(jù)控制分頻 比，就可以產(chǎn)生出所需要的頻率信號。用鎖相環(huán)構(gòu)成的頻率合成器具有頻率穩(wěn)定度高、相位 噪

2、聲小、電路簡單易集成、易編程等特點。控制數(shù)p廠12盤 數(shù)據(jù)寄存尸希物聽 tI圖1領(lǐng)相環(huán)頻率合成器的原理框圖隨著大規(guī)模集成電路的應(yīng)用，參考分頻器、鑒相器和主分頻器以及進行程序控制的寄存 器能夠集成在一塊芯片中，如圖1中虛線框所示，這樣整個電路就僅由一個PLL芯片、一片 晶振、一片VCO以及環(huán)路濾波器等分立元件組成，大大減小了體積，也降低了設(shè)計難度。下面對鎖相環(huán)同步狀態(tài)下的線性性能進行分析。鎖相環(huán)是傳遞相位的閉環(huán)系統(tǒng)，只要研究環(huán)路的相位數(shù)學(xué)模型或其基本方程就可以獲得環(huán) 路 的完整性能。根據(jù)圖1所示，設(shè) i為晶振經(jīng)R分頻器分頻之后的相位，0 o為VCO輸出 相 位，0 o為VCO經(jīng)N分頻器分頻之后的

3、相位，0 e為鑒相器的輸出相位，環(huán)路的基本函 數(shù)可以表示為：(1)閉環(huán)傳遞函數(shù):He專汀法/(2)(2)開環(huán)傳遞函數(shù)：Ho(s) = y = G(s)H(s)(3)其中 G(s) = KKveoFUJ/s稱做前向傳遞函數(shù)，H(s) = l/N稱做后向傳遞函數(shù)，Ke為鑒相器的繆相增益，Kvw為VCO的壓控靈敏度，F(xiàn)Q)為環(huán)路濾波器的傳遞函數(shù)“2.2鎖相環(huán)的設(shè)計鑒相器在目前應(yīng)用的小型頻率合成器電路中，廣泛采用電流泵型數(shù)字式鑒頻鑒相器，其輸出為數(shù) 字的電流信號I(t)，I(t)的寬度反映了兩輸入信號的相位差值，極性則反映了兩輸入信號 的相 位差的正負(fù)。在鑒相器之后的環(huán)路濾波器將電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷?，?/p>

4、制VCO的變化。它 具有以下特點：環(huán)路的相位鎖定性能具有理想二階環(huán)的特性。輸出紋波小。具有鑒頻鑒相的功能，鑒相范圍寬，捕捉帶等于同步帶。便于集成，調(diào)整方便，性能可靠。環(huán)路濾波器環(huán)路濾波器有無源和有源兩種形式，考慮到體積與噪聲等因素，在手機中一般采用無源三 階 環(huán)路濾波器。具體電路如圖2所示。該濾波器是由C1、C2、R2組成的二階濾波器和R3、C3組成的輔助濾波器所 合成，可以 將電流泵鑒相器輸出的鑒相電流轉(zhuǎn)換成控制電壓。輔助濾波器的作用是抑制鑒相頻率的輸出紋波，而對整個濾波器的極點沒有影響，所以在推算環(huán)路方程時，可以不做 考慮。2無源三階環(huán)路濾波器vcoCl、C2、R 2組成的二階濾波器的阻抗

5、為:=(CQRw)+ sC sCj代入公式(2),求得環(huán)路的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 KpoKvcot)Up/c) - ；(*) - NsKpoKy0(sR2C2 + 1)1 ； 1 + G(s)H(s) - * KpdKvcoF(s)wCiCj& + s2( C + C2)+ sKppKvcoRwG + KpfKvco(5)該環(huán)路為三階環(huán)路，在工程上可以進行近似，當(dāng)滿足CKC2/10時，有:Kgg + l)s + $ s +s NKpdKwxjRz Kpy)Kvco這一傳遞函數(shù)與采用理想積分濾波器的環(huán)路閉環(huán)傳遞函數(shù)完全相同，所以，采用該濾波器 的環(huán)路可以近似等效為理想積分二階環(huán)路。因此可以寫出環(huán)路的固

6、有頻率和阻尼系數(shù)分別為:(7)(10)/KvcoKpo環(huán)路的參數(shù)可由此確定為:廠 KpuK心C2=rNG 可選擇為:C2/151 C2/IO輔助濾波器的選取以不影響環(huán)路帶寬和截止頻率要低于鑒相頻率為度，但應(yīng)注意C3 實際上包含了 VCO變?nèi)莨艿牟⒙?lián)電容，所以實際的C3值要小于理論值。3環(huán)路中相位噪聲和鎖定時間的分析在通信接收機中，頻率合成器的相位噪聲是影響接收機性能的因素之一。由射頻前端頻率 合成器的相位噪聲引起的倒易混頻會導(dǎo)致信噪比變差，在進行頻率合成器設(shè)計時就要考慮使 相位噪聲達到電路指標(biāo)，消除因相位噪聲變差帶來的影響。3.1帶內(nèi)噪聲的分析在一般情況下，環(huán)路的帶內(nèi)相位噪聲由鑒相器、分頻器和晶振的噪聲決定，而帶外相位噪 聲主要由VCO決定。張冠百編 鎖相與頻率合成技術(shù) 北京：電子工業(yè)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