电荷泵锁相环设计方法研究

(15)
第 1 节中式 (1) , (4)～ (7) , (9) 及本节式
则在图 3 所示V DD = 5 V 条件下的曲线中, 可查得 充放电电流近似为 Ip = 2. 5 mA , 这与实测值一 致[3]. 在 V DD 等于其他值时可查资料中曲线或实测 得出 Ip 值, 然后可用第 1 节的方法设计环路.
( 12)～ (15) 是单端三态电压型电荷泵锁相频率 合成器设计方法 2 的设计公式.
例 1 某 CT 1 无绳电话调频发射机实验样机 采用集成锁相频率合成器M C 145162, f r= 5 kH z;
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Ip = V DD (2R 1) ,
(11)
放电电流- Ip = - V DD (2R 1 ) , 可见 R 1 将三态电
压型电荷泵转换成为三态电流型电荷泵, 则第 1
节所有的公式都适用.
当然, 要保证 PD out 为恒压源, 必须保证内部 M O SFET 饱和导通, 则导通电流应足够小, 可查 得 Ip ≤0. 36 mA , 由此可选择 Ip = 0. 2 mA , 代入 式 (11) 得
式sp e中ci,fiKca0t为ion压s a控nd振t荡he器so压ftw控a灵re敏lib度ra; rNy
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式中, Ξr= u re ba sed
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sy stebm. . 环路阻尼比
进行环路参数设计前 Ip , K 0 及 N 等已确定,
Key收w稿or日ds期: :co1m99p9o20n7e20n8t. lib ra ry; funct iona l rela t ion; refinem en t o rder Cao 作H者ua简go介n:g 鲁P昆r生of. (;19C45o2l)l,e男ge, o副f教C授om; 武p u汉te, r华S中ci.理工&大T学ec电h. 子, 与H信U息ST工,程W系uh(4a3n0047340).074, Ch ina.
R 1 = V DD 0. 4,
(12)
由式 (11) 可导出单端三态电压型电荷泵锁相环
路等效相位模型如图 5 所示. 图中, 等效环路滤波
器 L F 传递函数 F (s) 中, Σ1 = R 1C 1, Σ2 = R 2C 1; 等
图 5 单端三态电压型电荷泵环路等效相位模型
效模拟鉴相器 PD (电压输出) 鉴相增益为
2. 2 设计方法 2 PD out外接电阻将三态电压型电荷泵转换为三
态电流型电荷泵. 单端三态电压型电荷泵等效电 路及外部滤波器如图 4 所示. PD out外部串联电阻
图 4 三态电压型电荷泵与环路滤波器
R 1 将电压源转换为电流源. 仍设环路锁定时控制 电压 uc 值如式 (10) 所示, 则可求得充电电流
nen ts: A RTefPin=em en∃t ΞB0ased(ΠSΞy2ns)te,m. IEEE T ra(n6s.) 式中S∃ofΞtw0 为are固En有g.频, 差19.97, 23 (7) : 445～ 460
C 2 = 0. 1C 1.
(1)
e. 二阶环是无条件稳定的, 但因环路中采用
路滤波器元件值
C 1 = IpK 0 (2ΠN Ξn2) ,
(8)
R 2 = 2Φ (C 1Ξn) ;
(9)
d. 由式 (1) 确定 C 2.
2 单端三态电压型电荷泵锁相环及 其设计方法
M o to ro la 公司M C 145 ×××系列集成锁相 频率合成器 IC 中, M C145106～ M C 145170 的鉴 相器有关波形与图 1 波形一样, 唯一不同的是 PD out单端三态电荷泵输出是正负电压脉冲, 故称 它为单端三态电压型电荷泵输出.
(a)
(b)
电荷泵锁相环设计方法研究
鲁昆生 王福昌
(华中理工大学电子与信息工程系)
摘要: 在归纳单端输出电流型电荷泵锁相环设计方法的基础上, 给出单端输出电压型电荷泵锁相环的两种设 计方法: 直接近似为电流型输出; 串接电阻转换为电流型输出. 实验验证了其正确性, 从而纠正了M o to ro la 公 司设计方法的错误. 关 键 词: 电荷泵锁相环; 锁相频率合成器; 数字鉴频鉴相器 中图分类号: TN 74 文献标识码: A 文章编号: 100028616 (2000) 0120062203
3 M o to ro la 公司设计方法的错误
在工程技术界, 流传着一种电荷泵锁相环的 错误设计方法, 其典型代表是M o to ro la 公司给出 的M C145106～M C 145170 单端三态电压型电荷 泵锁相频率合成器设计公式, 如图 6 及表 1 和表 2 中所示. 作为对比表中亦列出本文 2. 2 节的设 计公式. 表中设计公式是将 PD out等效为鉴相增鉴 K d= V DD (4Π) 的模拟鉴相器后导出的. 但正如本 文 2. 2 节所述, 这仅仅是等效处理, 而 M o to ro la 公司的设计公式却将 PD out 当成真实的模拟鉴相 器, 从而将其后的环路滤波器当成模拟环路中的
K d = V DD (4Π).
(13)
(a)
(b) N 沟道 (c) P 沟道
V GS= 5 V
V GS= - 5 V
图 3 CM O S 门 (B 系列) 输出端电路及电特性
对单端三态电压型电荷泵锁相环本研究给出
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
必须强调一点, 这两个环节只是数学模型等 效, 而不是物理上的真实存在. 由图 5 可见, 环路 仍然为二阶二型环即理想二阶环. 套用理想二阶 环的计算公式或直接将式 (11) 和 (13) 代入式
现在根据定义 5 和定理 1 给出相似检索的算
M C145201 等, 它们的三态数字鉴频鉴相器的输 法: 首先从排序结构图的最顶端开始, 计算顶端结
出波形见图 1, 可见它们的 PD out输出是单端三态 电流型电荷泵, 其内部等效电路及外部环路滤波
点的规范化对偶和检索条件的规范化对偶的共同
信息,图并2将 该单共端三同态信电息流存型储电荷为泵M及A环X路, 顶滤波端器结点进
PD out 端高低电平伏安特性与 <R , <V , f r 和 f V 等输出端口完全一样, 也与标准 CM O S 门输出端 口完全一样. 可见电压型 PD out是按标准 CM O S 门 输出端口设计的, 其内部电路及 V DD = 5 V 时的伏 安特性如图 3 所示. 由图可见, PD out 在输出电压 动态范围 (V SS+ 0. 5～ V DD - 0. 5 V ) 内充放电不 是恒流特性, 并且充放电电流也不相等. 作为对 比, 也列出日本东芝公司的无绳电话射频单片 TB 31223F 中的单端三态电流型电荷泵输出如图 3 中虚线所示, 在输出电压动态范围内保持恒流 特性, 并且充放电恒流值相等.
1 单端三态电流型电荷泵锁相环设
计方法
1 是 S P 2 的一个求精,
1. 1 环路设计公式
那么 S P 1 和另一个对偶 S P 的共同信息将不少于
具有单端三态电流型电荷泵的集成锁相频率 S P 2 和 S P 的共同信息. 证明略.
合 成 器 IC 有 M o lo ro la 公 司 的 M C145190～
如下两种设计方法. 2. 1 设计方法 1
(8) 可导出 C 1 = K dK 0 (N R 1Ξn2) ,
(14)
直接将 PD out近似为电流型输出. 设环路锁定 时控制电压 uc 即 PD out端电压的值为
u cL = V DD 2,
(10)
式中,
Ξn = [ K dK 0 (N R 1C 1) ]1 2.
第
1
期 倚 第20 0208 年卷 第1 1月期 曹 化 工 等 : 华J基. H 于u中a功z h能o理n规g 范U工化n i v表. 大示of 的S学c构i. 件&学存T 储ec报h和. 检 索 方 法 S P V oJ al. n2. 8 N2 0 o.0 01 61
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第 1 期 鲁昆生等: 电荷泵锁相环设计方法研究 63
再按以下步骤进行设计. a. 按式 (4) 选定 Φ; b. 由式 (5)～ (7) 折衷选取 Ξn; c. 将 Φ, Ξn 值代入式 (2) 及式 (3) 可求出环
励所源有,元并素且的占孩据子频结带点为和8检L～索条8 H件( r的ad共s同) 的信基息带都不调
制等信于号M由A XV C为O止前, 检端索一结点束注.入上时述, 算从法基可带以信找号到至所射
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64 华 中 理 工 大 学 学 报 2000 年
f 0 = 45. 250～ 45. 475M H z, K 0 = 2Π× 0. 5 × 106 rad s; V DD = 5 V , 实测 Ip = 2. 5 mA ; 调制话音 频带为 300～ 3 400 H z, 采用一点注入式调频. 由 式 (4) 选取 Φ= 1, 由式 (5) 及 (7) 选取 Ξn= 2Π× 100 rad s. 再由式 (1) , (9) , (12)～ (15) 可求得 R 1 = 12 k8 , R 2 = 10 k8 , C 1 = 0. 033 ΛF , C 2 = 3 300 p F 及 K d= 0. 4 V rad.
Ξn ≤ 8 L 3.
(5)
d. 频率合参成器信考道切文换时间献约等于环路捕
图 1 鉴频鉴相器输出波形
捉[ 1时] R间ym M. Sto ring and R etrieving Softw are Com po2
器如图 2 所示. 图中, 2 个M O SFET 工作于开关 状态; Ip 为恒流源; C 2 用于消除鉴相纹波, 选取