基于壓控振蕩器(VCO)的高性能鎖相環(huán)(PLL)設(shè)計(jì)
簡(jiǎn)介
“鎖相環(huán)”(PLL)是現(xiàn)代通信系統(tǒng)的基本構(gòu)建模塊。PLL通常用在無線電接收機(jī)或發(fā)射機(jī)中,主要提供“本振”(LO)功能;也可用于時(shí)鐘信號(hào)分配和降噪,而且越來越多地用作高采樣速率模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘源。
隨著集成電路加工中功能器件的尺寸縮小,器件電源電壓也呈下降趨勢(shì),包括PLL和其它混合信號(hào)功能所用的電源。然而,PLL的關(guān)鍵元件——“壓控振蕩器”(VCO)的實(shí)用技術(shù)要求并未隨之大幅降低。許多高性能VCO設(shè)計(jì)仍然采用分立電路來實(shí)施,可能要求高達(dá)30 V的電源電壓。這就給當(dāng)今的PLL或RF系統(tǒng)設(shè)計(jì)師提出了挑戰(zhàn):低壓PLL IC如何與高壓VCO實(shí)現(xiàn)接口。電平轉(zhuǎn)換接口通常利用有源濾波電路來實(shí)施,這將在下文討論。本文將分析說明PLL的基本原理,考察采用高壓VCO的PLL設(shè)計(jì)的當(dāng)前技術(shù)水平,討論典型架構(gòu)的利弊,并介紹高壓VCO的一些替代方案。
PLL基本原理
鎖相環(huán)(圖1)是一個(gè)反饋系統(tǒng),其中相位比較器或鑒相器驅(qū)動(dòng)反饋環(huán)路中的VCO,使振蕩器頻率(或相位)精確跟蹤所施加的參考頻率。通常需要用濾波電路,對(duì)正/負(fù)誤差信號(hào)求積分并使之平坦,以及提高環(huán)路穩(wěn)定性。反饋路徑中常包含分頻器,使輸出頻率(VCO的范圍內(nèi))為參考頻率的倍數(shù)。分頻器的頻率倍數(shù)N可以是整數(shù),也可以是小數(shù),PLL相應(yīng)地稱為“整數(shù)N分頻PLL”或“小數(shù)N分頻PLL”。
圖1. 基本鎖相環(huán)
PLL是負(fù)反饋控制環(huán)路,因此達(dá)到均衡時(shí),頻率誤差信號(hào)必須為零,以便在VCO輸出端產(chǎn)生精確且穩(wěn)定的頻率N × FREF。
PLL有多種實(shí)施方法,根據(jù)所需頻率范圍、噪聲和雜散性能以及物理尺寸,可以采用全數(shù)字式、全模擬式或混合電路。目前,高頻(或RF)PLL的常用架構(gòu)既含有全數(shù)字式模塊,如反饋分頻器和鑒相器等,也含有高精度模擬電路,如電荷泵和VCO等。混合信號(hào)PLL的主要特點(diǎn)包括:
- 參考頻率:穩(wěn)定、精確的基準(zhǔn)頻率,RF輸出將鎖相于該頻率;通常源于晶振或溫度控制晶體振蕩器(TCXO)。
- 鑒頻鑒相器(PFD):從參考信號(hào)和反饋信號(hào)中產(chǎn)生相位誤差信號(hào)。
- 電荷泵:將誤差信號(hào)轉(zhuǎn)換為與相位誤差成比例的正/負(fù)電流脈沖串。
- 環(huán)路濾波器:對(duì)來自電荷泵的電流脈沖求積分,向VCO調(diào)諧端口提供干凈的電壓。
- VCO:根據(jù)調(diào)諧端口上的電壓(Vtune),輸出一個(gè)頻率。VCO具有增益KV,用MHz/V表示。VCO輸出頻率與輸入控制電壓的基本關(guān)系表達(dá)式為fo = fc + Kv (Vtune),其中fc為VCO偏移頻率。
- N分頻器:將輸出頻率倍除為PFD或參考頻率??梢院?jiǎn)單地采用整數(shù)倍除,也可以采用小數(shù)倍除(小數(shù)N分頻器),采用后者的越來越多。小數(shù)分頻器的實(shí)施很簡(jiǎn)單,只需切換整數(shù)分頻器的除數(shù)便可獲得小數(shù)平均值(例如,要獲得平均值4.25,可以計(jì)數(shù)到4三次并計(jì)數(shù)到5一次;這樣就計(jì)數(shù)了17個(gè)脈沖,并生成了4個(gè)脈沖,因此頻率比為17/4 = 4.25)。實(shí)踐中,借助高分辨率噪聲整形轉(zhuǎn)換器所用的技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更好的效果。因此,小數(shù)方法通常采用Σ-Δ結(jié)構(gòu)實(shí)施,它具有雜散頻率少的優(yōu)勢(shì)。
圖2顯示了當(dāng)前器件的高度集成電路示例,這是集成VCO的小數(shù)N分頻PLL IC ADF4350寬帶頻率合成器的框圖,其輸出頻率范圍為137.5 MHz至4400 MHz。(集成VCO的寬帶寬PLL部分簡(jiǎn)要描述了其功能。)
圖2. ADF4350 PLL頻率合成器框圖
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