宽带PLL环路滤波器的设计

ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．
Ｔｈｅ ｗｉｄｅｂａｎｄ ＰＬＬ ｌｏｏｐ ｆｉｌｔｅｒ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｔｈｅｓｉｓ ｉｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ａｎ ＡＳＩＣ ｆｏｒ ｄｉｇｉｔａｉ ＴＶ ｔｕｎｅｒ．Ｔｈｅ ｃｈｉｐ ｃｏｎｖｅｒｔｓ ｔｈｅ、Ⅳｉｄｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｏｆＴＶ ｓｉｇｎａｌｓ ｔｏ ａ ｆｉｘｅｄ ｍｉｄｄｌｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ａｂｏｕｔ ３６ＭＨｚ，Ｔｈｅ ｗｌｄｅｂａｎｄ ＰＬＬ ｌｏｏｐ ｆｉｌｔｅｒ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｔｈｅｔｉｓ ｍｕｓｔ ｂｅ ｗｅｌｌ ａｐｐｌｉｃａｂｌｅ ｉｎ ｑｕｉｔｅ ｗｉｄｅ ｔｕｎｉｎｇ ｒａｎｇｅ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．
常埘的环路滤波器有简单ＲＣ滤波器、无源比例积分滤波器、有源比例积分滤波器三种，如下 图。环路滤波器的主要指标是带宽、直流增嵛和高频增益，它由滤波器的时间常数和滤波器的类型 决定。简单ＲＣ滤波器的高频增益为零，比例积分滤波器在高频时有一定的增益，这对ＰＬＬ的捕捉 特性有利，而且比例积分滤波器的传输函数中引人了一个零点，这利于增加环路的稳定性。有源滤 波器还要考虑它的线性动态范嗣，要求它的输出电压能够提供给ＶＣＯ在锁定时所需的控制电压。１１１
而在ＰＬＬ频率综合器的设计中，为了获得稳定的ＶＣＯ调谐电压，环路滤波器起剑了维持环路 稳定性、控制环路带内外噪卢、防止ＶＣＯ调谐电压控制线上电压突变、抑制参考边带杂散干扰（ｓｐｕｒ） 等重要竹＿Ｉ｛ｊ，是ＰＬＬ频率综合器的设计与调试的笑键。而且，通过配置不同的参考频率和不同的电 荷泵电流，配合相应的环路滤波器即可使频率综合器适合于不同的ＰＬＬ标准。
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东南大学 硕士学位论文 宽带PLL环路滤波器的设计 姓名：刘奡 申请学位级别：硕士 专业：微电子学与固体电子学 指导教师：陆生礼
20060219
摘要
摘要
环路滤波器（Ｌｏｏｐ Ｆｉｌｔｅｒ，简称ＬＰＦ）是锁相环（ＰＬＬ）的重要组成单元，它在很人程度上决定 了ＰＬＬ的性能。在ＰＬＬ频率综合器的设计中，为了获得稳定的ＶＣＯ凋谐电压，环路滤波器起到了 维持环路稳定性、控制环路带内外噪声、防止ＶＣＯ调谐电压控制线上电压突变、抑制参考边带杂散 干扰（ｓｐｕｒｓ）等重要作州，是ＰＬＬ频率综合器的设计与调试的关键。
本文首先重点介纠环路滤波器的设计理论，然后在此基础上，提出了解决本课题的设计方案， 并灵活地使用了Ｓｙｎｏｐｓｙｓ Ｈｓｐｉ∞，Ｃａｎｄｅｎｃｅ ＳｐｅｃｔｒｅＲＦ、Ｖｅｒｉｌｏｇ－－Ａ，Ｍａｔｌａｂ等ＥＤＡ软什对所设计 的屯路进行建模，推导，分析，验证，给出了行之有效的推导设计方法。最后，通过实际府川验证 了该设计。
１．３论文的主要内容
由Ｔ ＰＬＬ中ＶＣＯ谐振网络的芯片外实现，要求环路滤波器首先实现ＶＣＯ调谐电压３．３Ｖ剑３３Ｖ 的放人。这就必须设计一个有源环路滤波器米实现该功能。本文实现了一个三极管放人结构的有源 二阶环路滤波器，来保持宽带ＰＬＬ的环路稳定性，剪根据ＰＬＬ模块噪声优化设计ＰＬＬ环路带宽， 同时实现了对品振基准频率处噪卢的抑制。
本文实现了一个三极管放大结构的有源三阶环路滤波器，在对ＶＣＯ调谐电压３百度文库３Ｖ到３３Ｖ的放 大的同时，保持宽带ＰＬＬ的环路稳定性，实现对品振基准频率处噪声的抑制，并根据ＰＬＬ噪声模型 优化设计ＰＬＬ环路带宽，实现带内外环路噪声的优化设计。
论文首先重点介绍环路滤波器的设计理论，着重介缁分析设计环路滤波器所涉及的相关概念和 环路滤波器的拓扑结构。在此基础上，更进一步的根据设计环路滤波器的需要，深入讨论了ＰＬＬ环 路的参数模型，包括ＰＬＬ各模块的参数抽象方法，环路的开ｆｊ＝｜环传输方程和开环带宽，相位裕度的 理论推导。并且对ＰＬＬ环路性能和环路滤波器性能之间的关系作了理论分析。最斤，针对我们数字 电视接收机州宽带ＰＬＬ环路设计所需的滤波器电路。在实现电路拓扑的基础上，通过更进一步的建 立环路滤波器简化模弛和完整模型，详细推导了环路滤波器网络参数的量化实现过稃提山了解决本 课题的设计方案，并灵活地使用了Ｓｙｎｏｐｓｙｓ Ｈｓｐｉｃｅ，Ｃａｎｄｅｎｃｅ ＳｐｅｃｔｒｅＲＦ、Ｖｅｒｉｌｏｇ－Ａｔ Ｍａｔｌａｂ等ＥＤＡ 软什对所设计的电路进行建模，推导，分析，验证，给出了行之有效的推导设计方法。晟后，通过 实际应用验证了该设计。
ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｓ ｔｏ ａ ｌａｒｇｅ ｅｘｔｅｎｔ ｔｈａｔ ｏｆｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒ．Ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ａｎｄ ｄｅｍａｎｄｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆｔｈｅ ＶＣＯ ｔａｎｉｎｇ ｖｏｌｔａｇｅ’Ｓ ｐｕｒｉｔｙ，ｗｅ ｕｓｅ Ｌｏｏｐ Ｆｉｌｔｅｒ ｔｏ ｍａｉｎｔａｉｎ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆｔｈｅ ＰＬＬ． ｂａｌａｎｃｅ ｔｈｅ ｎｏｉｓｅ ｏｆＰＬＬ ｉｎｂａｎｄ ａｎｄ ｏｕｔｂａｎｄ，ｐｒｅｖｅｎｔ ｔｈｅ ｖｏｌｔａｇｅｊｕｍｐ ｏｆｔｈｅ ＶＣＯ ｔｕｎｉｎｇ ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｐｕｒｓ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｏｆｔｈｅ ＰＬＬ ｅｔ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ．ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆｔｈｅ ＬＰＦ ｂｅｃｏｍｅ ｔｈｅ ｋｅｙ ｏｆｍａｎｙ ＰＬＬ
关键词：射频集成电路，环路滤波器，锁相环，调谐电压，环路带宽，相位裕度，相位噪声 杂散抑制
东南大学硕士学位论文
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｔｈｅ Ｌｏｏｐ Ｆｉｌｔｅｒ，ｂｅｉｎｇ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐａｒｔ ｏｆ ａｎｙ ＰＬＬ ｂａｓｅｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒ，ｉｔｓ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
本课题即针对自主设计的调谐器专用芯片中的ＰＬＬ频率综合器，设计满足数字电视接收性能要 求的宽带ＰＬＬ环路滤波器。同时进一步提炼出可移植的设计方法，为同类环路滤波器的设计提供借 鉴。
１．２研究现状
环路滤波器是低通滤波器简称为ＬＰＦ，它是由电阻、电容可能还有放大器组成的线性电路。它 的输入是电荷泵的输出，滤除其高频成分和噪卢，取出其平均分茸作为输出来控制ＶＣＯ。早期的ＰＬＬ 是没有环路滤波器的，随着应用对ＰＬＬ性能要求的提高，引入了环路滤波器米改善ＶＣＯ控制电压 的频谱纯度，提高系统稳定性。
ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｉｓ ｖａｌｉｄａｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｕｓａｇｅ ｏｆｔｈｅ Ｔｕｎｅｒ ａｐｐｌｉａｎｃｅ ｓｙｓｔｅｍ．
Ｋｅｙｗｏｒｄ：ＲＦ－Ｉｃ，Ｌｏｏｐ Ｆｉｌｔｅｒ，Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ，Ｔｕｎｉｎｇ Ｖｏｌｔａｇｅ，Ｏｐｅｎ－Ｌｏｏｐ ＢａｎｄＷｉｔｈ，Ｐｈａｓｅ Ｍａｒｇｉｎ，ｐｈａｓｅ ｎｏｉｓｅ，Ｓｐｕｒｓ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ
东南大学学位论文独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。
Ｂｅｃａｕｓｅ ｔｈｅ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｏｆｔｈｅ ＶＣＯ ｉｓ ｏｆｆｃｈｉｐ．ｔｈａｔ ｄｅｍａｎｄ ｔｈｅ ＬＰＦ Ｃａｎ ａｍｐｌｉｆｙ ｔｈｅ ｔｕｎｉｎｇ
ｖｏｌｔａｇｅ ｏｆｔｈｅ ＶＣＯ ｆｒｏｍ ３．３Ｖ ｔｏ ３３Ｖ．ｗｅ ｍｕｓｔ ｄｅｓｉｇｎ ａｎ ａｃｔｉｖｅ ＬＰＦ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｉｇｎｓ ａｌｌ ａｃｔｉｖｅ ＬＰＦ ａｍｐｌｉｆｉｅｓ ｔｈｅ ＤＣ ｖｏｌｔａｇｅ ｗｉｔｈ ａｎ ＮＰＮ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ．Ｉｔ ｋｅｅｐｓ ｔｈｅ ｓｔａｈｉｌｉｔｙ ｏｆｔｈｅ ＰＬＬ ｌｏｏｐ ａｎｄ ｔｈｅ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ｏｆｉｔ ｉｓ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｎｏｉｓｅ ｏｆｔｈｅ ＰＬＬ．
在调谐专＿｝｛ｊ芯片的集成设计中，ＰＬＬ频率综合器作为一个自控制的负反馈系统，提供数字电视 信号载波调制的本振信号。而针对数字电视信号的接收过稃，要求ＰＬＬ频率综合器产生宽频带、低 相噪、高精度、高稳定性的输出。事实上，ＰＬＬ频率综合器的设计是很难的，尤其是宽带高频系统， 这方面的设计一直是我国研究领域的软肋，而且在国外也是最具挑战的研究相当火爆的领域。频率 综合芯片性能优劣对数字电视接收机接收效果影响甚大，因此高品质的ＰＬＬ频率综合器的设计在调 谐专用芯片设计中＾很大比重。
东南大学硕士学位论文
业ｃ 业 Ｒ
Ｋｌ
ｒⅢ。ｒ墅
Ｒ２ Ｃ
图１－１ ａ）简单ＲＣ滤波器 （ｂ）无源比例积分滤波器 （ｃ）有源比例积分滤波器 上述滤波器结构多川ｒ简单ＰＬＬ的理论分析过程，在实际的１二程席＿Ｈｊ中还需针对实际进一步设 计。嘲在ＭＩＴ教授Ｍｉｃｈａｅｌ ＨｅｎｄｅｒｓｏｎＰｅｒｔ＇ｏＲ关于Ｆｒａｃｔｉｏｎａｌ－Ｎ频率综合的一系列论文里，采用闭环 的设计思想，给定环路滤波器拓扑和阶数，通过对整个ＰＬＬ的建模、仿真。考察其闭环响应、环路 稳定性和相位嵘声的性能要求，计算得到相关参数，给出了一套精确的环路滤波器设计方法，同时 对ＰＬＬ环路性能ｆｆ出了评估。该方法通过系统实现得剑了验让，并对系统寄生的影响给出了相应的 修正方法。但该方法仅针对巴特沃斯、切比雪丈和贝塞尔等几种标准滤波器结构。同时，其系统设 计应Ｈｊ丁ＧＳＭ接收机，相对于我们的数字电视接收机系统频带要窄很多，滤波器的设计容易满足系 统对噪声的要求。 在美国国家半导体公司Ｊ二稃师Ｄｅａｎｓ的Ｆｉｌｔｅｒ ＤｅａｎｓＢｏｏｋ手册中，完罄的给出了一套关于级联 型ＲＣ网络的环路滤波器的计算方法，该方法是其在美国国家半导体作为ＰＬＬ方面应川Ｔ干辛师多年 实践的总结。其设计过程将一Ｉ：群计算与实际测草紧密结合，来源于上程，应用于上稃，对我们环路 滤波器的优化设计提供了一个良好的借鉴。但该设计方法对系统噪声的影响是通过修正值列表的方 式给出，而该修止值是针对丁．美国国家、卜导体公司的ＰＬＬ芯片的应片Ｉ测量结粟。
研究生签名：雌导师签名 只 期
东南人学硕士学位论文
第一章引言
本章主要介绍本课题的提出及国内外ＰＬＬ环路滤波器设计发展情况，阐述了本课题的土要研究 工作，最后介绍了本文的结构组织框架和实施计划。
１．１课题的提出
随着世界数字电视市场的不断发展，各国已经开始大力推动广播电视数字化及高清晰数字电视 （硼ＤＴｖ）的研发和市场化进稃。在我国，随着２００３年已经启动的广播电视数字化的推进，数字电 视产业发展前景看好，预计２０１０年我国的数字电视接收机市场规模将达到２０５０万台。数字电视芯 片作为数字电视产业化的核心，同样具有巨人的市场潜力，对民族产业的发展具有重大影响。数字 电视调谐器是数字电视接收机的前置部什，在数字电视技术中山有十分重要的地位。因此，国家信 产部确立了ＨＤＴＶ调谐器专用芯片及产品产业化专项，这对推动我国数字电视调谐器自土知识产权 是具有相当重要意义的。东南大学国家ＡＳＩＣ工程中心主要承担了前端调谐专用芯片的开发和产品 产业化的任务。
Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｉｓｃｕｓｓ ｔｈｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ ｏｆｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆｔｈｅ ＬＰＦ，ｔｈｅ ＰＬＬ ａｂｓｔｒａｃｔ ｍｏｄｅｌ，ｔｈｅ
ｒｅｌａｔｉｏｎ ｏｆｔｈｅＬＰＦｐａｒ枷ｅｔｅｒｗｉｔｈｔｈｅＰＬＬＯｐｅｎ－Ｌｏｏｐｂａｎｄｗｉｔｈ，ｐｈａｓｅｍａｒｇｉｎ，ｐｈａｓｅｎｏｉｓｅａｎｄｔｈｅ Ｓｐｕｒｓ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ．Ｔｈｅｎ ｃａｉｃｕｉａｔｅ ｔｈｅ ｃｉｒｃｍｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ，ｓｉｍｔｄａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｅｓｔ ａｌｓｏ．Ａｔ ｌａｓｔ，ｔｈｅ ＬＰＦ