鎖相環環路特性分析

曲曉華，高曉強，賈岳珉

（中國電子科技集團公司第十三研究所，河北 石家莊 050051）

0 引 言

隨著通信、雷達等領域的不斷發展，對鎖相環（Phase Locked Loop，PLL）的性能指標要求越來越高，而鎖相環產品的性能指標與鎖相環的環路特性息息相關，因此研究鎖相環系統的環路特性意義重大，只有了解影響環路特性的各個因素，才能有針對性地提出改善措施。

1 鎖相環基本電路單元結構

復雜的頻率源系統通常是由單個或者多個鎖相環構成，其中單個鎖相環是頻率源系統的基本單元，由參考信號、參考分頻器（R分頻器）、鑒頻鑒相器、電荷泵、射頻分頻器（N分頻器）、環路濾波器、壓控振蕩器構成，其結構如圖1所示[1]。

圖1 鎖相環電路結構

2 三階有源環路濾波電路結構

與無源環路濾波器電路相比，有源環路濾波器輸出電壓不受電荷泵供電電壓的影響，可以適用更多的應用場合，因此本文將針對有源環路濾波電路進行分析[3]。

2.1 三階有源環電路結構

三階有源環路濾波器的電路結構如圖2所示。

圖2 三階有源環路濾波器結構

其中，ICP為電荷泵電流的輸入端口，VT為環路濾波器電壓輸出端口，VCC的電壓與電荷泵供電電壓相同，運放的供電電壓根據實際使用情況確定。R11和R12為運放正向輸入端口分壓電阻；C13、C14為電源濾波電容；R1、R2、R3、C1、C2、C3、C4、U1構成了三階有源環路濾波電路結構。

2.2 三階有源環路濾波器環路特性分析

三階有源環路濾波器的電路特性分析實質是分析整個電路的交流信號特性，其交流等效電路如圖3所示。

圖3 三階有源環路濾波器交流等效電路

3 整個鎖相環路環路特性分析

因此從環路的傳輸函數中可以得到以下結論[4]：

（1）傳輸函數在0頻處的相位變化為180°，幅度變化為-40 dB/10倍頻程；

（2）每經過一個極點，幅度變化增加-20 dB/10倍頻程；

（3）每經過一個零點，幅度變化增加20 dB/10倍頻程；

（4）每經過一個極點，相位從1/10極點頻率變化，到10倍極點頻率結束，總共變化-90°，極點頻率處變化-45°；

（5）每經過一個零點，相位從1/10極點頻率變化，到10倍極點頻率結束，總共變化90°，極點頻率處變化45°。

在實際應用中，通常求解環路時已知量為環路帶寬和相位余量，而環路帶寬和相位余量又由環路的零極點分布決定，根據傳輸函數公式，零極點的位置和R1、R2、R3、C1、C2、C3、C4相關[5]。

當鑒相頻率為50 MHz，鎖定頻率為5 GHz，環路帶寬為500 kHz，相位余量為60°時，環路開環傳遞函數的幅值、相位特性如圖4，圖5所示。

圖4 開環幅值特性曲線

圖5 開環相位特性曲線

閉環相位噪聲曲線如圖6所示。

圖6 閉環相位噪聲曲線

4 產品制作及測試

為了驗證文中對環路特性分析，設計并生產一款鎖相環產品，其中鑒相頻率為100 MHz，鎖定頻率為5 GHz，產品最終封裝為12 mm×15 mm×3 mm，產品照片如圖7所示。

圖7 產品照片

相位噪聲測試如圖8所示。

圖8 相位噪聲測試結果

從測試結果中可以看出，產品測試結果與計算結果吻合。

5 結 論

本文分析了三階有源環路濾波器的環路特性，并進行了實際產品制作及測試，測試結果與計算結果完全吻合，驗證了環路分析的正確性，對環路參數調整有重要的指導意義。