锁相环频率合成器的原理与设计

锁相环频率合成器的原理与设计

2.1 锁相环的基本原理和基本公式

对于现代移动通信中的移动台来说，频率合成器是由锁相环路(PLL)构成的。锁相环是一种相位负反馈系统，它利用环路的窄带跟踪与同步特性

将鉴相器一端VCO的输出相位与另一端晶振参考的相位保持同步，实现锁定输出频率的功能，同时可以得到和参考源相同的频率稳定度。一个典型的频率合成器原理框图如图1所示。设晶振的输出频率为fr，VCO输出频率为fo，则它们满足公式：

(1)

其中R和N分别为参考分频器和主分频器的分频比，在外部设置并行或串行数据控制分频比，就可以产生出所需要的频率信号。用锁相环构成的频率合成器具有频率稳定度高、相位噪声小、电路简单易集成、易编程等特点。

随着大规模集成电路的应用，参考分频器、鉴相器和主分频器以及进行程序控制的寄存器能够集成在一块芯片中，如图1中虚线框所示，这样整个电路就仅由一个PLL芯片、一片晶振、一片VCO以及环路滤波器等分立元件组成，大大减小了体积，也降低了设计难度。 下面对锁相环同步状态下的线性性能进行分析。

锁相环是传递相位的闭环系统，只要研究环路的相位数学模型或其基本方程就可以获得环路的完整性能。根据图1所示，设θi为晶振经R分频器分频之后的相位，θo为VCO输出相位，θ’o为VCO经N分频器分频之后的相位，θe为鉴相器的输出相位，环路的基本函数可以表示为：

(1)闭环传递函数：

2.2 锁相环的设计

(1)鉴相器

在目前应用的小型频率合成器电路中，广泛采用电流泵型数字式鉴频鉴相器，其输出为数字的电流信号I(t)，I(t)的宽度反映了两输入信号的相位差值，极性则反映了两输入信号的相位差的正负。在鉴相器之后的环路滤波器将电流信号转变为电压，控制VCO的变化。它具有以下特点：

①环路的相位锁定性能具有理想二阶环的特性。

②输出纹波小。

③具有鉴频鉴相的功能，鉴相范围宽，捕捉带等于同步带。

④便于集成，调整方便，性能可靠。

(2)环路滤波器

环路滤波器有无源和有源两种形式，考虑到体积与噪声等因素，在手机中一般采用无源三阶环路滤波器。具体电路如图2所示。

该滤波器是由C1、C2、R2组成的二阶滤波器和R3、C3组成的辅助滤波器所合成，可以将电流泵鉴相器输出的鉴相电流转换成控制电压。辅助滤波器的作用是抑制

鉴相频率的输出纹波，而对整个滤波器的极点没有影响，所以在推算环路方程时，可以不做考虑。

C１、C２、R２组成的二阶滤波器的阻抗为：

该环路为三阶环路，在工程上可以进行近似，当满足C１＜C２／10时，有：

这一传递函数与采用理想积分滤波器的环路闭环传递函数完全相同，所以，采用该滤波器的环路可以近似等效为理想积分二阶环路。

因此可以写出环路的固有频率和阻尼系数分别为：

辅助滤波器的选取以不影响环路带宽和截止频率要低于鉴相频率为度，但应注意C3实际上包含了VCO变容管的并联电容，所以实际的C3值要小于理论值。

3 环路中相位噪声和锁定时间的分析

在通信接收机中，频率合成器的相位噪声是影响接收机性能的因素之一。由射频前端频率合成器的相位噪声引起的倒易混频会导致信噪比变差，在进行频率合成器设计时就要考虑使相位噪声达到电路指标，消除因相位噪声变差带来的影响。

3.1 带内噪声的分析

在一般情况下，环路的带内相位噪声由鉴相器、分频器和晶振的噪声决定，而带外相位噪声主要由VCO决定。

［１］张冠百编 锁相与频率合成技术 北京：电子工业出版社，1986

［２］Recommended Minimum Performance Standard for Dual Mode Wideband Sp read Spectrum Cellular Mobile Station TIA／EIA IS 98 A Interim Standard，Apri l，1996

［３］Mobile Station Base Station Compatibility Standard for Dual Mode Wideband Spread Spectrum Cellular System TIA／EIA IS 95 A，December，1992

［４］卢尔瑞等 移动通信工程 北京：人民邮电出版社，1998年4月

［５］白居宪 低噪声频率合成 西安：西安交通大学出版社，1995年1月