基于ADF4117的电荷泵型锁相环设计

摘要：电荷泵型锁相环的设计主要集中在环路滤波器。为了解决各种环路滤波器对锁定时间要求较高，并在环路带宽较宽的应用中对参考频率附近杂散抑制不够，因而致使锁相环相位噪声及杂散恶化的问题。文中以ADF4117为基础，给出了一种带三阶无源环路滤波器的电荷泵型锁相环的设计方法。该方法能有效抑制杂散，使锁相环输出达到良好的相位噪声及杂散指标。
关键字：锁相环；电荷泵；ADF4117；环路滤波器；相位噪声

0 引言
电荷泵型锁相环可由参考分频器、可编程分频器、鉴相器及电荷泵、环路滤波器和压控振荡器构成。电荷泵是一种可在鉴相器控制下把电荷分配给环路滤波器的电子开关。电荷泵与二阶无源环路滤波器组合可构成一个三阶锁相环，以满足更多应用场合的要求。但是分频器和电荷泵以参考频率的速率切换电流，电流切换噪声会在VCO输出频率中产生FM调制，从而致使三阶锁相环无法满足一些特殊场合的要求，特别是在一些对锁定时间要求较高的应用中，其要求环路带宽较宽，而三阶锁相环环路对参考频率附近的电流切换杂散抑制可能不够。因此，在这些设计中，基于原来的二阶环路滤波器的基础，增加一个极点，就可使环路在高频段有足够的衰减特性，从而有效抑制上述杂散。
本文以ADI公司的电流型电荷泵的PLL集成芯片ADF4117为例，给出了一种应用于电荷泵锁相环中的三阶无源环路滤波器的设计方法，同时分析了泵锁相环的环路，并给出了仿真及实验结果。

1 电荷泵锁相环环路分析
图1所示是电荷泵型锁相环的基本结构，该电荷泵锁相环的环路主要由参考晶振、鉴相(鉴频)器、电荷泵、环路滤波器，压控振荡器
(VCO)及分频器(固定或可编程的参考分频器及主分频器)组成。其工作过程是将压控振荡器输出频率反馈到主分频器后分频产生的fP与参考晶振经分频后得到的参考分频输出fr在鉴相(鉴频)器中比较，以得到相差(频差)输出φP和φr，然后将φP和φr作为电荷泵的开关信号，去控制电荷泵输出电流Do，再通过环路滤波器得到的电压信号去控制压控振荡器(VCO)的频率输出。

虽然每一个锁相环都是非线性的，但大多数锁相环在锁定状态下则可以用线性系统的分析技术。图2所示是一个电荷泵锁相环的线性模型。

电荷泵锁相环的线性模型可以用开环增益及闭环增益来描述，也可用前向增益及反馈增益来描述，其增益可表述为：

其中：kVCO(MHz／V)为压控振荡器(VCO)的调谐灵敏度；Kφ(mA／2π)为鉴相(鉴频)因子(电荷泵电流增益)，其值等于鉴相器输出电流与输入信号的相位差之比：N为主分频比，是压控振荡器的输出频率与鉴相(鉴频)器的工作频率之比。
在设计中，KVCO、Kφ、N均为常数，由式(1)可知，除去环路滤波器的环路，开路可认为是个比例积分环节，环路滤波器则可视为对环路的补偿，因而在选定鉴相(鉴频)因子、电荷泵电流增益及压控振荡器(VCO)的调谐灵敏度KVCO后，整个系统的性能即可由环路滤波器的性能快定。
而锁相环则应在保证稳定性的前提下，尽量降低相位噪声，提高响应速度。这就要求设计应足够相位裕度，并且合理选择环路带宽。根据控制理论，对于开环稳定的系统，欲使闭环稳定，其相位裕度必须为正。一个良好的控制系统，通常要求相位裕度为40°～60°。本设计选择的相位裕度为45°。