基于ADIsimPLL 3．1的鎖相環(huán)環(huán)路濾波器設計

摘要：對鎖相環(huán)環(huán)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(huán)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(wěn)定的環(huán)路濾波器。
關鍵詞：環(huán)路帶寬；PLL；環(huán)路濾波器；壓控靈敏度

0 引言
    隨著通信技術在各個領域的高速發(fā)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(wěn)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(chǎn)生具有一系列離散的、高準確度、高穩(wěn)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(huán)(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(chǎn)生并輸出所需的頻率，這種方法輸出頻率穩(wěn)定，雜散抑制好，輸出頻率范圍寬。隨著鎖相環(huán)電路集成化、數(shù)字化和小型化的不斷發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)了具有快鎖功能的鎖相環(huán)芯片，當前，鎖相式頻率合成技術得到了最為廣泛的應用。環(huán)路濾波器是鎖相環(huán)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(huán)節(jié)，其參數(shù)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(wěn)定度及頻率轉(zhuǎn)換時間等多項指標，間接的影響通信系統(tǒng)的載波質(zhì)量、接收性能、發(fā)射和接收信噪比、接收靈敏度及通信距離等。

1 環(huán)路濾波器參數(shù)分析
    PLL頻率合成器的基本框圖如圖1所示。

    環(huán)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(huán)路濾波器包括有源環(huán)路濾波器和無源環(huán)路濾波器，可根據(jù)所選用的鎖相環(huán)芯片和壓控振蕩器來確定環(huán)路濾波器的形式。
    環(huán)路濾波器的主要指標包含：環(huán)路帶寬、鎖定時間、直流增益、高頻增益和阻尼系數(shù)等。其各項參數(shù)是根據(jù)環(huán)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(huán)路參數(shù)設計中最為重要的參數(shù)是環(huán)路帶寬，環(huán)路帶寬與參考頻率、PFD和環(huán)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(huán)路帶寬參數(shù)的合理選擇有利于VCO的相位噪聲、鎖定時間、系統(tǒng)分辨率等多項指標的兼顧。
    環(huán)路濾波器設計中需滿足的參數(shù)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(wěn)定的環(huán)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(huán)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(yōu)良的模擬設計能力，其設計環(huán)境是基于ADI系列鎖相環(huán)芯片而設計的，因此，對ADI的鎖相環(huán)芯片而言，可以充分利用ADIsim PLL 3．1的強大功能，將環(huán)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(shù)調(diào)整和修正，對環(huán)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(shù)分頻和小數(shù)分頻兩種分頻模式可供選擇；具有多種的環(huán)路濾波器電路形式可供選擇；參考頻率源可根據(jù)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(zhuǎn)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(shù)。

3 環(huán)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-90dBc ／Hz@10 kHz和-135 dBc／Hz@1 MHz；頻率切換時間不大于2 ms。根據(jù)設計要求，參考頻率源定為10 MHz溫補振蕩器，其頻率穩(wěn)定度可達6× 10-7，可滿足系統(tǒng)所要求的頻率穩(wěn)定度，鎖相環(huán)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(shù)分頻功能，可實現(xiàn)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15MHz／  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(huán)電路及壓控振蕩器選定后，下面進入工作重點，即環(huán)路濾波器的設計，設計中根據(jù)選擇的鎖相環(huán)ADF4156，環(huán)路濾波器選三階的無源濾波器，電路形式如圖2所示。

    圖2中電容器C1將來自電荷泵(ADF4156的CP腳)的脈沖轉(zhuǎn)化為直流電壓，但是根據(jù)對開環(huán)傳遞函數(shù)分析，它會引起環(huán)路的不穩(wěn)定性，引入了電阻器R1和電容器C2是為了穩(wěn)定環(huán)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(huán)路帶寬的參數(shù)確定是非常重要的，從環(huán)路噪聲帶寬來看，BL應該選擇最小值，從環(huán)路穩(wěn)定性來看，ξ(阻尼系數(shù))越大環(huán)路越穩(wěn)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(huán)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(huán)路的穩(wěn)定性。
    根據(jù)設計要求在ADIsimPLL 3．1的設計界面中需要進行各項參數(shù)的設置，首先選擇PLL芯片ADF4156，進行一系列的參數(shù)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(xiàn)的頻率間隔；設置VP=5．2 V，最高可設置5．5 V；環(huán)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(huán)路帶寬BL設置為5 kHz。
    各項參數(shù)設置完成后選擇“完成”，進行模擬仿真計算，環(huán)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(huán)路增益等多項仿真結果，并生成環(huán)路濾波器各電阻器和電容器的參數(shù)值。最后，可根據(jù)工程設計的要求，對相應器件的參數(shù)值進行調(diào)整，以滿足實際應用中工程設計的要求，參數(shù)調(diào)整過程中，所有仿真結果是可以實時更新的，這樣有利于調(diào)整過程中對仿真結果的掌握。
    基于以上仿真參數(shù)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(zhuǎn)換過程中達到下一頻點穩(wěn)定狀態(tài)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。
    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(yōu)于-160 dBc／Hz，能滿足設計要求。
    根據(jù)仿真結果對PCB(印制電路板)中的環(huán)路濾波器進行參數(shù)配置，經(jīng)過裝配調(diào)試，并與控制電路進行聯(lián)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(nèi)可達到-75 dBc，頻率穩(wěn)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(wěn)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(huán)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?qū)⒃O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(huán)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。