電荷泵鎖相環(huán)

1、第第4章章 電荷泵鎖相環(huán)電荷泵鎖相環(huán)內(nèi)容內(nèi)容:1.電荷泵工作原理、數(shù)學(xué)模型電荷泵工作原理、數(shù)學(xué)模型; 2.二階環(huán)、三階環(huán)的性能指標二階環(huán)、三階環(huán)的性能指標; 3.電荷泵在頻率合成器中的應(yīng)用。電荷泵在頻率合成器中的應(yīng)用。4.1 電荷泵鑒相器電荷泵鑒相器4.2 電荷泵鎖相環(huán)數(shù)學(xué)模型電荷泵鎖相環(huán)數(shù)學(xué)模型4.3 二階二階電荷泵鎖相環(huán)電荷泵鎖相環(huán)4.4 三階三階電荷泵鎖相環(huán)電荷泵鎖相環(huán)4.5 集成集成電荷泵鎖相環(huán)電荷泵鎖相環(huán)CD40464.6 電荷泵鎖相環(huán)頻率合成器電荷泵鎖相環(huán)頻率合成器4.7 小結(jié)小結(jié)4.1 電荷泵鎖相環(huán)電荷泵鎖相環(huán)(CPPL)電荷泵鎖相環(huán)如圖電荷泵鎖相環(huán)如圖4.1.1所示。所示。FP

2、DCPLFVCOui(t)uo(t)圖圖4.1.1 電荷泵鎖相環(huán)電荷泵鎖相環(huán)圖中圖中: FPD是鑒頻鑒相器是鑒頻鑒相器; CP是電荷泵是電荷泵;為簡化分析過程為簡化分析過程,以圖以圖4.1.2所示的雙所示的雙D鑒相器為例鑒相器為例,來說明鑒頻鑒相器的工作原理。來說明鑒頻鑒相器的工作原理。是是模數(shù)混合環(huán)模數(shù)混合環(huán)，與模擬鎖相環(huán)唯一不同的是鑒相器包，與模擬鎖相環(huán)唯一不同的是鑒相器包括括FPD和和CP,稱為稱為電荷泵鑒相器電荷泵鑒相器。它是數(shù)字式的。它是數(shù)字式的,具有具有鑒頻鑒相功能鑒頻鑒相功能,CP為為LF提供充放電電荷。提供充放電電荷。ID QCI RDCI RDID Q&udVCCui

3、(t)uo(t)VCC圖圖4.1.2 雙雙D鑒相器鑒相器表表4.1.1 D觸觸發(fā)器真值表發(fā)器真值表 0 1 0 1Qn+1Dn4.1.1 鑒相原理鑒相原理設(shè)設(shè)ui(t) 、uo(t)的頻率分別為的頻率分別為fr和和fv。根據(jù)電路圖及真。根據(jù)電路圖及真值表值表,很容易得到當(dāng)很容易得到當(dāng)ui(t)和和uo(t)頻率相同時的三組鑒頻率相同時的三組鑒相波形相波形,如圖如圖4.1.3所示。所示。ui(t)uo(t)ud(a)同相同相TeT/2(b)ui(t)超前超前uo(t)(c) uo(t)超前超前ui(t)圖圖4.1.3 fr=fv時時FPD波形波形圖中虛線表示考慮器件的時延時出現(xiàn)的窄脈沖圖中虛線表

4、示考慮器件的時延時出現(xiàn)的窄脈沖,它對它對鑒相器性能無影響鑒相器性能無影響,可不考慮?？刹豢紤]。輸出脈寬輸出脈寬:eT2鑒相器有三種工作狀態(tài)鑒相器有三種工作狀態(tài):u、d同為低電平同為低電平;u為高電為高電平平,d為低電平為低電平;u為低電平為低電平,d為高電平為高電平;分別稱為分別稱為n、u和狀態(tài)和狀態(tài)d。在。在u狀態(tài)下狀態(tài)下,u端輸出的脈沖使電荷泵對環(huán)路端輸出的脈沖使電荷泵對環(huán)路充電。在充電。在d狀態(tài)下狀態(tài)下,d端輸出的脈沖使電荷泵對環(huán)路放端輸出的脈沖使電荷泵對環(huán)路放電。在電。在n狀態(tài)下狀態(tài)下,環(huán)路濾波器既不充電也不放電。故稱環(huán)路濾波器既不充電也不放電。故稱為為三態(tài)鑒相器。三態(tài)鑒相器。設(shè)電荷泵

5、能提供的充放電電流為設(shè)電荷泵能提供的充放電電流為Ip,則充放電電流在一則充放電電流在一個周期內(nèi)的平均值為個周期內(nèi)的平均值為: id(t)=Ipe(t)/2 (4.1.1)2)(te上式即為這種電荷泵鑒相器的鑒相特性?？紤]到相位上式即為這種電荷泵鑒相器的鑒相特性。考慮到相位的周期性的周期性,式式(4.1.1)所表示的鑒相特性可用圖所表示的鑒相特性可用圖4.1.4表表示。示。id(t)IP-IP-4-2240e(t)圖圖4.1.4 電流型鑒相器的鑒相特性曲線電流型鑒相器的鑒相特性曲線把這種能在充放電時提供恒定電流的電荷泵鑒相器稱把這種能在充放電時提供恒定電流的電荷泵鑒相器稱為為電流型電荷泵鑒相器電

6、流型電荷泵鑒相器;對應(yīng)的環(huán)路簡稱為對應(yīng)的環(huán)路簡稱為電流型鎖電流型鎖相環(huán)。相環(huán)。反之反之,稱為稱為電壓型電荷泵鑒相器電壓型電荷泵鑒相器。對應(yīng)的環(huán)路。對應(yīng)的環(huán)路簡稱為簡稱為電壓型電壓型電荷泵電荷泵鎖相環(huán)。鎖相環(huán)。在環(huán)路鎖定之前在環(huán)路鎖定之前,fr和和fv不可能相等。環(huán)路鎖定后不可能相等。環(huán)路鎖定后,兩者兩者也不可能完全相等。若差別不大也不可能完全相等。若差別不大,ui(t)和和uo(t)的上升沿的上升沿之間的時間間隔不超過之間的時間間隔不超過ui(t)的周期的周期,則上述鑒相特性還則上述鑒相特性還是成立的。此時的鑒相波形如圖是成立的。此時的鑒相波形如圖4.1.5所示。所示。ui(t)uo(t)ud

7、圖圖4.1.5 frfv時時FPD波形波形id(t)IP-IP-4-2240e(t)圖圖4.1.4 電流型鑒相器的鑒相特性曲線電流型鑒相器的鑒相特性曲線當(dāng)上述條件不滿足時當(dāng)上述條件不滿足時,則不能用圖則不能用圖4.1.4說明三態(tài)鑒相說明三態(tài)鑒相器的鑒相特性。器的鑒相特性。因為這時在因為這時在ui(t)(或或uo(t)的一個周期內(nèi)有幾個周期的的一個周期內(nèi)有幾個周期的uo(t)(或或ui(t)信號信號,不好定義相位誤差。當(dāng)然在圖不好定義相位誤差。當(dāng)然在圖4.1.5中用中用ui(t)的周期作為標準來定義相位誤差也是的周期作為標準來定義相位誤差也是一種近似分析方法。一種近似分析方法。當(dāng)當(dāng)fr和和fv差

8、別較大時差別較大時,這種鑒相器這種鑒相器有鑒頻功能有鑒頻功能,這正是所希望的。這正是所希望的。4.1.2 鑒頻原理鑒頻原理圖中圖中I(t)表示電荷泵提供的電流。表示電荷泵提供的電流。ui(t)uo(t)I(t)Ip0圖圖4.1.6 frfv時電流型鑒相器的鑒相波形時電流型鑒相器的鑒相波形u設(shè)鑒相器為電流型設(shè)鑒相器為電流型,當(dāng)當(dāng) 時的波形如圖時的波形如圖4.1.6所示。所示。Vrff 當(dāng)當(dāng)frfv時時,只要將電流波形倒相即可。此時只要將電流波形倒相即可。此時,Id(t)平均電平均電流小于零流小于零,且頻差越大且頻差越大Id(t)越負。當(dāng)越負。當(dāng)fr=fv時時,Id(t)=0。在實際環(huán)路中在實際環(huán)

9、路中ui(t)是輸入信號是輸入信號,其頻率其頻率fr是不受環(huán)路控是不受環(huán)路控制的制的,因此在分析鑒頻特性時因此在分析鑒頻特性時fr為定值。而為定值。而fv決定于決定于VCO的振蕩頻率的振蕩頻率,它隨環(huán)路控制電壓的變化而變化它隨環(huán)路控制電壓的變化而變化,應(yīng)應(yīng)而把它表示為時間的函數(shù)而把它表示為時間的函數(shù)fv(t) 。 令令(t)= r- v,由上述分析可得下列關(guān)系由上述分析可得下列關(guān)系: (t)0,id(t)決定于鑒相特性決定于鑒相特性 (t)= 時時,id(t)=IP, (t)=-時時,id(t)=-IP。rV V- (t)0,PD輸出電流輸出電流,給給LF提供充提供充電電流電電流IP;反之反之

10、,d0,給給LF提供放電電流提供放電電流IP。圖圖4.1.9為鎖相集成塊為鎖相集成塊CD4046中的中的PD電路圖電路圖,電荷泵電荷泵為電流型。為電流型。圖圖4.1.9 CMOS數(shù)字鑒頻鑒相器數(shù)字鑒頻鑒相器4.2 電荷泵鎖相環(huán)數(shù)學(xué)模型電荷泵鎖相環(huán)數(shù)學(xué)模型和模擬鎖相環(huán)一樣和模擬鎖相環(huán)一樣,必須先求得電荷泵鎖相環(huán)的數(shù)學(xué)必須先求得電荷泵鎖相環(huán)的數(shù)學(xué)模型模型,才能分析它的性能才能分析它的性能,式式(4.1.1)和和(4.1.2)是電流型是電流型電荷泵鑒相器的數(shù)學(xué)模型。所以只要把環(huán)路濾波器電荷泵鑒相器的數(shù)學(xué)模型。所以只要把環(huán)路濾波器和壓控振蕩器的數(shù)學(xué)模型求出來和壓控振蕩器的數(shù)學(xué)模型求出來,就可以得到整個

11、鎖就可以得到整個鎖相環(huán)的數(shù)學(xué)模型。相環(huán)的數(shù)學(xué)模型。在電荷泵鑒相器則不同在電荷泵鑒相器則不同,在環(huán)路捕捉過程中在環(huán)路捕捉過程中,因頻差比因頻差比較大較大,必須使用式必須使用式(4.1.2)來描述鑒相器的性能。當(dāng)環(huán)來描述鑒相器的性能。當(dāng)環(huán)路處于鎖定或跟蹤狀態(tài)時路處于鎖定或跟蹤狀態(tài)時,由于相位誤差不會超過由于相位誤差不會超過2范圍范圍,可用可用(4.1.1)來描述來描述鑒相器的性能。鑒相器的性能。)()(tItirPdrt)(4.1.2)(2)(tItiepd2)(te(4.1.1)4.2.1 電流型電荷泵鎖相環(huán)電流型電荷泵鎖相環(huán)常用的電流型鑒相器常用的電流型鑒相器濾波器組合電路及其等效濾波器組合電

12、路及其等效電路如圖電路如圖4.2.1所示。所示。這樣就得到兩種數(shù)學(xué)模型這樣就得到兩種數(shù)學(xué)模型,一個描述環(huán)路的一個描述環(huán)路的鎖定或跟鎖定或跟蹤性能蹤性能,另一個描述環(huán)路的另一個描述環(huán)路的捕捉性能捕捉性能。前者稱為。前者稱為相位相位模型模型,后者稱為后者稱為頻率模型頻率模型。undIPIPZFuc(t)(b)等效電路圖等效電路圖圖圖4.2.1 電流型電流型FPDCDLF組合組合 u d1uo(t)ui(t)VCCuc(t)ZF(a)電路圖電路圖id(t)圖中沒有給出圖中沒有給出FPD的具體電路的具體電路,它的鑒相、鑒頻波它的鑒相、鑒頻波形如圖形如圖4.1.3、圖、圖4.1.6所示。所示。ui(t)

13、uo(t)ud(a)同相同相TeT/2(b)ui(t)超前超前uo(t)(c) uo(t)超前超前ui(t)圖圖4.1.3 fr=fv時時FPD波形波形ui(t)uo(t)I(t)Ip0圖圖4.1.6 frfv時電流型鑒相器的鑒相波形時電流型鑒相器的鑒相波形u在電流型電荷泵鑒相器中，在電流型電荷泵鑒相器中，id(t)通過通過ZF后變成控制電后變成控制電壓壓uc(t): uc(t)=id(t) ZF(p) (4.2.1)式中式中ZF(p)為為ZF的阻抗的阻抗(算子形式算子形式) 。在在uc(t)的作用下的作用下,VCO產(chǎn)生的相位變化及頻率變化產(chǎn)生的相位變化及頻率變化分別為分別為:)()()()(

14、tuKtptuKtcoVcoo(4.2.2)(4.2.3) u d1uo(t)ui(t)VCCuc(t)ZF(a)電路圖電路圖id(t)綜合考慮綜合考慮(4.1.1) (4.1.4)式及（式及（4.2.1）（4.2.3）,可得環(huán)路的相位模型和頻率模型分別如圖可得環(huán)路的相位模型和頻率模型分別如圖4.2.2和和4.2.3所示。所示。KdIZF(P)Ko/Pi(t)e(t)id(t)uc(t)o(t)圖圖4.2.2 電荷泵鎖相環(huán)的相位模型電荷泵鎖相環(huán)的相位模型KdIZF(P)Koid(t)uc(t)圖圖4.2.3 電荷泵鎖相環(huán)的頻率模型電荷泵鎖相環(huán)的頻率模型i i(t)(t)(t)(t)V V(t)

15、(t)圖中圖中, i(t)= o= r- o,為為環(huán)路的固有頻差環(huán)路的固有頻差。 V(t)= V- o為為環(huán)路的控制頻差環(huán)路的控制頻差, (t)= o- V(t)= r- V為為環(huán)路的瞬時頻差環(huán)路的瞬時頻差。 o為為VCO的固的固有振蕩頻率。有振蕩頻率。4.2.2 電壓型電荷泵鎖相環(huán)電壓型電荷泵鎖相環(huán)它采用它采用電壓型電荷泵鑒相器電壓型電荷泵鑒相器。常用的。常用的FPDCPLF組合電路及其等效電路如圖組合電路及其等效電路如圖4.2.4所示。所示。ZF u duo(t)ui(t)VCCuc(t)(a)電路圖電路圖-+ZFR1R1-VCCVPundZFuc(t)(b)等效電路圖等效電路圖-+R1i

16、p(t)VpVp圖圖4.2.4 電壓型電壓型FPDCPLF組合組合LF的充電電荷是由的充電電荷是由FPD提供的提供的,所以所以FPD起到了起到了鑒頻鑒頻鑒相及電荷泵的雙重作用。鑒相及電荷泵的雙重作用。undZFuc(t)圖圖3.2.4 (b)等效電路圖等效電路圖-+R1ip(t)VpVpundIPIPZFuc(t)圖圖4.2.1 (b)等效電路圖等效電路圖比較圖比較圖4.2.1(b)和圖和圖4.2.4(b),但要注意但要注意,在電在電壓型電荷泵鎖壓型電荷泵鎖相環(huán)中相環(huán)中,有有令令I(lǐng)P=Vp/R1,可將兩者互換可將兩者互換,所以電流型電荷泵鑒相器所以電流型電荷泵鑒相器的鑒相特性、鑒頻特性及數(shù)學(xué)模

17、型完全適用于電壓型的鑒相特性、鑒頻特性及數(shù)學(xué)模型完全適用于電壓型電荷泵鑒相器。電荷泵鑒相器。采用不同的采用不同的LF,就可得到不同的電荷泵鎖相環(huán)。就可得到不同的電荷泵鎖相環(huán)。rpdIpdIRVKRVK1122(4.2.4)(4.2.5)鑒相增益鑒相增益鑒頻增益鑒頻增益4.3 二階電荷泵鎖相環(huán)二階電荷泵鎖相環(huán)先介紹二階電流型電荷泵鎖相環(huán)先介紹二階電流型電荷泵鎖相環(huán),其環(huán)路濾波器由其環(huán)路濾波器由R、C串聯(lián)形成串聯(lián)形成,如圖如圖4.3.1所示。由圖有所示。由圖有:R2C1id(t)ZFuc(t)圖圖4.3.1 電流型電流型二階環(huán)的環(huán)路濾二階環(huán)的環(huán)路濾波器波器該網(wǎng)絡(luò)的該網(wǎng)絡(luò)的阻抗阻抗為為:SSRsIs

18、VsZdcF1221)()()(4.3.1)21212121)()1)()(RCsRCsRsIscRsIsVddc式中式中1=2=R2C1。為了得到與模擬環(huán)相似的數(shù)學(xué)模。為了得到與模擬環(huán)相似的數(shù)學(xué)模型型,將將R2與與KdI、KdI合并合并,令令: 鑒相增益鑒相增益 Kd=IpR2/(2) (4.3.2) 鑒頻增益鑒頻增益 Kd=IpR2/r r (4.3.3) (4.3.3) 環(huán)路傳遞函數(shù)環(huán)路傳遞函數(shù) F(s)=(1+ F(s)=(1+2 2s)/s)/1 1s (4.3.4)s (4.3.4)可得此環(huán)路的數(shù)學(xué)模型可得此環(huán)路的數(shù)學(xué)模型,如圖如圖4.3.2和圖和圖4.3.3(復(fù)頻域復(fù)頻域)所示。

19、所示。SSRsIsVsZdcF1221)()()(4.3.1)Kdss121Ko/si(s)e(s)o(s)ud(s)uc(s)圖圖4.3.2 二階電荷泵二階電荷泵PLL的相位模型的相位模型Kdss121ud(s)Kouc(t)i i(s)(s)(s)(s)V V(s)(s)圖圖4.3.3 二階電荷泵二階電荷泵PLL的頻率模型的頻率模型必須注意的是必須注意的是:頻率模型的階數(shù)比相位模型少頻率模型的階數(shù)比相位模型少1, “二二階階”是針對相位模型而言的。是針對相位模型而言的。由圖由圖4.3.2可分析環(huán)路的可分析環(huán)路的線性性能線性性能,而由圖而由圖4.3.3可分析可分析環(huán)路的環(huán)路的捕獲性能捕獲性能

20、。Kdss121Ko/si(s)e(s)o(s)ud(s)uc(s)圖圖4.3.2 二階電荷泵二階電荷泵PLL的相位模型的相位模型根據(jù)理想二階環(huán)的有關(guān)公式根據(jù)理想二階環(huán)的有關(guān)公式(P20表表2.1.3),并且考慮到并且考慮到式式(4.3.2): Kd=IpR2/(2) 及及1=2=R2C1,可以得到二階可以得到二階電流型電流型PLL的性能參數(shù)公式為的性能參數(shù)公式為:從相位模型可見從相位模型可見,采用電流型鑒相器及簡單采用電流型鑒相器及簡單RC網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)的電荷泵電荷泵PLL與采用有源網(wǎng)絡(luò)作環(huán)路濾波器的模擬與采用有源網(wǎng)絡(luò)作環(huán)路濾波器的模擬PLL是完全一樣的是完全一樣的,屬于理想二階環(huán)屬于理想二階環(huán)

21、。nppopopodnCRCKICRKCKICRKRIKKK2222221211212112211(4.3.5)(4.3.6)式中式中K=KdKo=IpKoR2(2)為環(huán)路增益為環(huán)路增益。注意上兩式。注意上兩式Ko的單位必須是的單位必須是rad/(sV) 。在第在第2章中得到的關(guān)于理想二階環(huán)的線性跟蹤性能章中得到的關(guān)于理想二階環(huán)的線性跟蹤性能的所有公式、結(jié)論的所有公式、結(jié)論,在這里都是適用的。在這里都是適用的。再根據(jù)圖再根據(jù)圖4.3.3來分析環(huán)路的來分析環(huán)路的捕捉性能捕捉性能。Kdss121ud(s)Kouc(t)i i(s)(s)(s)(s)V V(s)(s)圖圖4.3.3 二階電荷泵二階電

22、荷泵PLL的頻率模型的頻率模型考慮到考慮到i i(t)= (t)= o(t)= r- o為常數(shù)為常數(shù),其拉氏變其拉氏變換為換為o/s,可由圖可由圖4.3.3求得求得:odvKssKss121)()(odoKssKsss121)()(而而)/(1)/(111)(12112oooooKKsKKssKKssddd由此可得由此可得:令令odpKK12可將上式變?yōu)榭蓪⑸鲜阶優(yōu)?ppodosKKs11)(作拉氏反變換作拉氏反變換,得環(huán)路捕捉過程中的瞬時頻差為得環(huán)路捕捉過程中的瞬時頻差為:ptodoeKKt/1)(4.3.7)據(jù)式據(jù)式(4.3.7),可作出可作出瞬時頻差瞬時頻差隨時間的變化曲線隨時間的變化曲

23、線,如如圖圖4.3.4所示。所示。t(t)(t)odoKK10圖圖4.3.4 電荷泵電荷泵PLL鎖定鎖定過程中瞬時頻差過程中瞬時頻差(1)不管固有頻差有多大不管固有頻差有多大,環(huán)路環(huán)路都可以進入鎖定狀態(tài)。同樣都可以進入鎖定狀態(tài)。同樣,環(huán)路鎖定后環(huán)路鎖定后,不管固有頻差如不管固有頻差如何變化何變化,環(huán)路也可以保持鎖定環(huán)路也可以保持鎖定狀態(tài)。因而狀態(tài)。因而,環(huán)路的同步帶、環(huán)路的同步帶、捕捉帶為無窮大捕捉帶為無窮大,即即H H= = P=。并得如下并得如下結(jié)論結(jié)論:t(t)(t)odoKK10圖圖4.3.4 電荷泵電荷泵PLL鎖定鎖定過程中瞬時頻差過程中瞬時頻差(2)環(huán)路捕捉過程中環(huán)路捕捉過程中,瞬

24、瞬時頻差單調(diào)減小時頻差單調(diào)減小,而鑒而鑒相器輸出電壓相器輸出電壓ud(t)正正比于比于(t),(t),所以所以u ud d(t)(t)也是也是單調(diào)變化的。單調(diào)變化的。(3)環(huán)路的捕捉時間與時間常數(shù)環(huán)路的捕捉時間與時間常數(shù)p成正比成正比,還與固有還與固有頻差頻差o o及增益及增益Kd 、VCO控制靈敏度控制靈敏度Ko有關(guān)有關(guān), p、 o越小越小,Kd、Ko越大越大,捕捉時間就越短。捕捉時間就越短。頻差進頻差進入鑒相范圍之前稱為頻率捕獲過程入鑒相范圍之前稱為頻率捕獲過程,進入鑒相范圍進入鑒相范圍之后則稱為相位捕獲過程。之后則稱為相位捕獲過程。這兩個過程所需要的時間分別稱為這兩個過程所需要的時間分別

25、稱為頻率捕捉時間和頻率捕捉時間和相位捕捉時間相位捕捉時間,并分別用并分別用Tf和和T表示。工程上表示。工程上,可采可采用人工電調(diào)等方法使用人工電調(diào)等方法使o比較小比較小(小于小于r),這時在計這時在計算捕捉時間時可不考慮算捕捉時間時可不考慮o的影響的影響,而將而將p作為環(huán)路作為環(huán)路的的頻率捕捉時間頻率捕捉時間,即即nnrOdpfKKT22221上式的推導(dǎo)過程如下上式的推導(dǎo)過程如下:由由P20表表2.1.3,有有:opodnnKRIKKKKK22211而21nK將將opKRIK22和和代入下式代入下式22222212nodopnododpfKKKRIKKKKKT代入上式代入上式:將將P20表表2

26、.1.3中的公式中的公式n22和和rpdRIK2(4.3.3)相位捕捉時間相位捕捉時間可近似為可近似為:nT5可得可得:nnrnnrppnodopnododpfRIRIKKKRIKKKKKT2222222222222221即得書中公式。即得書中公式。故故o o r時時環(huán)路的捕捉時間環(huán)路的捕捉時間為為:nnnrfpTTT5222(4.3.8)當(dāng)當(dāng)o r時時,環(huán)路環(huán)路捕捉時間捕捉時間為為:)/(2nopT(4.3.10)上述理論分析結(jié)果與實際情況是會有一定誤差的。原上述理論分析結(jié)果與實際情況是會有一定誤差的。原因是在二階電荷泵因是在二階電荷泵PLL中中,主要考慮主要考慮兩個實際問題兩個實際問題:一

27、一是環(huán)路的同步帶、捕捉帶不可能為無限大。和模擬環(huán)是環(huán)路的同步帶、捕捉帶不可能為無限大。和模擬環(huán)一樣一樣,它們要受到環(huán)路能提供的最大控制電壓及它們要受到環(huán)路能提供的最大控制電壓及VCO的頻率覆蓋范圍的限制的頻率覆蓋范圍的限制,同步范圍和捕捉范圍實際上等同步范圍和捕捉范圍實際上等于于VCO的頻率變化范圍。的頻率變化范圍。因此因此,為了保持所需要的控制電壓為了保持所需要的控制電壓,參考信號必須超參考信號必須超前于反饋信號一個小的相位前于反饋信號一個小的相位e(),以提供一個充電以提供一個充電電流來補償電流來補償n狀態(tài)下的損失狀態(tài)下的損失。 e()產(chǎn)生的平均充電產(chǎn)生的平均充電電流為電流為Ip e()/

28、(2),它等于射極跟隨器的放電電流它等于射極跟隨器的放電電流Ib,或等于或等于變?nèi)荻O管的放電電流變?nèi)荻O管的放電電流o o/(K/(Ko oR Rs s),),由此由此可得到由于可得到由于R Rs s、Ib引起的相位誤差為引起的相位誤差為:二是環(huán)路鎖定時的相位誤差不可能為二是環(huán)路鎖定時的相位誤差不可能為0。因為控制。因為控制電壓電壓uc(t)若直接送到若直接送到VCO的變?nèi)荻O管的變?nèi)荻O管,而變?nèi)荻內(nèi)荻O管有一定的輸入電阻極管有一定的輸入電阻RS,若若uc(t)通過射極跟隨器通過射極跟隨器后再送到射極定時后再送到射極定時RC振蕩器振蕩器VCO ,則跟隨器有一則跟隨器有一定的基極電流定的

29、基極電流Ib。Rs、Ib的存在使鑒相器處于的存在使鑒相器處于n狀狀態(tài)時態(tài)時C1放電放電,使控制電壓下降。使控制電壓下降。若選用好的元件若選用好的元件,可使可使e()小到小到210-6rad?？傻糜捎诳傻糜捎赗s、Ib引起的相位誤差引起的相位誤差:pbespooeIIRIK2)(2)( sooepRKI2)(由由bePII2)(環(huán)路鎖定后的有環(huán)路鎖定后的有關(guān)波形如圖關(guān)波形如圖4.3.5所示。所示。VVui(t)uo(t)uduc圖圖4.3.5 二階電荷泵二階電荷泵PLL鎖定時的波形鎖定時的波形VVui(t)uo(t)uduc圖圖4.3.5 二階電荷泵二階電荷泵PLL鎖定時的波形鎖定時的波形u為高

30、電平時，給為高電平時，給LF提供充電電流提供充電電流Ip,在在LF的電流的電流發(fā)生突的電流的電流發(fā)生突變時，電容處于短路變時，電容處于短路狀態(tài)，在電阻上產(chǎn)生狀態(tài)，在電阻上產(chǎn)生一個階躍電壓，其值一個階躍電壓，其值為為 2RIVp(4.3.11)由于實際控制電壓疊加有紋波，它對由于實際控制電壓疊加有紋波，它對VCO作用的結(jié)作用的結(jié)果使環(huán)路輸出信號為一個寄生調(diào)頻信號，在載波兩邊果使環(huán)路輸出信號為一個寄生調(diào)頻信號，在載波兩邊有一些雜波，這是不需要的。有一些雜波，這是不需要的。另外，控制電壓的跳變也必然引起另外，控制電壓的跳變也必然引起VCO頻率跳變，頻率跳變，當(dāng)跳變過大時，會破壞環(huán)路的正常工作。為防止

31、此當(dāng)跳變過大時，會破壞環(huán)路的正常工作。為防止此現(xiàn)象發(fā)生，這就需要使用現(xiàn)象發(fā)生，這就需要使用4.4節(jié)的三階環(huán)。節(jié)的三階環(huán)。二階電壓型電荷泵鎖相環(huán)采用圖二階電壓型電荷泵鎖相環(huán)采用圖4.2.4所示的所示的FPDCPLF組合的組合的鑒相器鑒相器,其中其中LF如圖如圖4.3.1所示。所示。ZF u duo(t)ui(t)VCCuc(t)(a)電路圖電路圖-+ZFR1R1-VCCVP圖圖4.2.4R2C1id(t)ZFuc(t)圖圖4.3.1 電流型電流型二階環(huán)的環(huán)路濾二階環(huán)的環(huán)路濾波器波器令令I(lǐng)p=VP/R1,則則二階電流型電荷泵鎖相環(huán)二階電流型電荷泵鎖相環(huán)的環(huán)路性能的環(huán)路性能參數(shù)公式、數(shù)學(xué)模型、捕捉性

32、能分析結(jié)論等全部適參數(shù)公式、數(shù)學(xué)模型、捕捉性能分析結(jié)論等全部適用于用于二階電壓型電荷泵鎖相環(huán)二階電壓型電荷泵鎖相環(huán)。最后應(yīng)注意最后應(yīng)注意,當(dāng)環(huán)路鎖定后當(dāng)環(huán)路鎖定后,控制電壓控制電壓uc(t)上疊加有上疊加有紋波紋波,與此相應(yīng)的電壓與此相應(yīng)的電壓ud(t)的波形如下圖所示的波形如下圖所示,稱為稱為鑒相紋波。鑒相紋波。作業(yè)作業(yè)P99 4-14.4 三階電荷泵鎖相環(huán)三階電荷泵鎖相環(huán)三階電流型鎖相環(huán)用的環(huán)路濾波器如圖三階電流型鎖相環(huán)用的環(huán)路濾波器如圖4.4.1所示。所示。id(t)C2C1uc(t)R2Z F圖圖4.4.1 三階電流型三階電流型PLL的環(huán)路濾波器的環(huán)路濾波器它們的阻抗它們的阻抗ZF(s

33、)為為:111/ 1/ 1)/ 1(1)(122212122sssaRsCsCRsCRsCsZaF(4.4.1)式中式中212121221121,/ )(CCCCRCRCCCaaKdKd/s) 1(112sssae(s)i(s)o(s)ud(s)uc(s)圖圖4.4.2 三階電荷泵三階電荷泵PLL相位模型相位模型附加低通濾波器可以減小二階環(huán)中控制電壓的紋波。附加低通濾波器可以減小二階環(huán)中控制電壓的紋波。為了使附加低通濾波器對紋波電壓有足夠的濾除作用為了使附加低通濾波器對紋波電壓有足夠的濾除作用,應(yīng)滿足應(yīng)滿足a a=1/(R=1/(R2 2C C2 2)r r這一條件這一條件, ,頻譜改善量見式

34、頻譜改善量見式(3.6.15) (3.6.15) 。圖中圖中Kd=IpR2/(2) 。稱此三階環(huán)為附加低通濾波器。稱此三階環(huán)為附加低通濾波器的理想二階環(huán)。的理想二階環(huán)。)(lg20dBsra(3.6.15)實際環(huán)路中實際環(huán)路中,C2C1,此時此時a1,aR2C2,采用這種環(huán)路采用這種環(huán)路濾波器的濾波器的三階環(huán)的相位模型三階環(huán)的相位模型如圖如圖4.4.2所示。所示。當(dāng)當(dāng)C2C1時時,附加低通濾波器附加低通濾波器1/(as+1) 的相位滯后量的相位滯后量遠小于超前因子遠小于超前因子(2s+1)的相位超前量的相位超前量,故可認為它們故可認為它們對環(huán)路穩(wěn)定性影響不大對環(huán)路穩(wěn)定性影響不大。由式由式(4.

35、4.1)可見可見,下面介紹為保證環(huán)路有足夠的穩(wěn)定余量下面介紹為保證環(huán)路有足夠的穩(wěn)定余量,應(yīng)如何設(shè)應(yīng)如何設(shè)計環(huán)路參數(shù)。計環(huán)路參數(shù)。不考慮附加低通濾波器不考慮附加低通濾波器1/(as+1)時時,環(huán)路為理想二階環(huán)路為理想二階環(huán)環(huán),再考慮再考慮C20,只能取只能取“+”,故得故得14242求得求得 T T=n n nCRK221212而而:) 1() 1()(212sssKsHao(4.4.2)由由可得其頻率表達式可得其頻率表達式:) 1() 1()(122aojjKjH由此可得到其在由此可得到其在T T時的時的相位為相位為:)arctan()arctan(2aTTr可得三階環(huán)的相位余量為可得三階環(huán)的

36、相位余量為:)tan()arctan(180)(20aTTTrac而相位余量為而相位余量為: r=1800+(T T) )令令r=450,由上式有由上式有:根據(jù)三角函數(shù)中的根據(jù)三角函數(shù)中的:tantan1tantan)tan()arctan()arctan(4520aTT(4.4.4)由三階環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)由三階環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)) 1() 1()(212sssKsHao(4.4.2)考慮到考慮到T=n及及 2=2n n, ,由上式可解得由上式可解得: :12121naa對上式兩邊取正切對上式兩邊取正切:1)(222aTaTaTaTTaTT2222011)arctan(tan)(tanarcta

37、n45tan=代入不同的代入不同的值值,可得表可得表4.4.1。表表4.4.1 a a/n n與與的關(guān)系的關(guān)系 0.5 0.6 0.7 9.8 0.9 1.0a/n 10.7 5.51 4.19 3.68 3.44 3.36)arctan()arctan()arctan()arctan(22annaTTr可見可見,三階環(huán)的相位余量為三階環(huán)的相位余量為:因因a0.6narCR5122當(dāng)當(dāng)(4.4.5)式得到滿足時式得到滿足時,不但三階環(huán)的穩(wěn)定余量可以得不但三階環(huán)的穩(wěn)定余量可以得到保證到保證,而且還允許把這種環(huán)路當(dāng)作二階鎖相環(huán)來處理而且還允許把這種環(huán)路當(dāng)作二階鎖相環(huán)來處理,其阻尼系數(shù)和自然諧振頻率

38、可用式其阻尼系數(shù)和自然諧振頻率可用式(4.3.5)(4.3.6)計算計算:nopOpopnCRCKICRKCKICRKRIK2222212121121211221(4.3.5)(4.3.6)將圖將圖4.2.4中的中的ZF具體化為圖具體化為圖4.4.1所示的網(wǎng)絡(luò)所示的網(wǎng)絡(luò),id(t)C2C1uc(t)R2Z b圖圖4.4.1 三階電流型三階電流型PLL的兩種環(huán)路濾波的兩種環(huán)路濾波器器ZF u duo(t)ui(t)VCCuc(t)(a)電路圖電路圖-+ZFR1R1-VCCVP圖圖4.2.4 電壓型電壓型FPDCPLF組合組合就可以得到電壓就可以得到電壓型電荷泵鎖相環(huán)型電荷泵鎖相環(huán)的鑒相器電路的鑒

39、相器電路,只只要令要令I(lǐng)p=Vp/R1。則則分析三階環(huán)電流分析三階環(huán)電流型鎖相環(huán)的一切型鎖相環(huán)的一切結(jié)論都適用于電結(jié)論都適用于電壓型鎖相環(huán)。壓型鎖相環(huán)。這個條件是鑒相器的工作頻率這個條件是鑒相器的工作頻率(即輸入信號頻率即輸入信號頻率r r) )應(yīng)應(yīng)遠大于環(huán)路帶寬遠大于環(huán)路帶寬。當(dāng)滿足這一條件時當(dāng)滿足這一條件時,在輸入信號的一在輸入信號的一個周期內(nèi)個周期內(nèi),鎖相環(huán)的狀態(tài)變化是很小的鎖相環(huán)的狀態(tài)變化是很小的,誤差就可以忽誤差就可以忽略不計略不計。因此因此,只需要關(guān)心在輸入信號的一個周期內(nèi)環(huán)路狀態(tài)變只需要關(guān)心在輸入信號的一個周期內(nèi)環(huán)路狀態(tài)變化的平均值化的平均值,而不需要關(guān)心在一個周期內(nèi)各個瞬間的環(huán)

40、而不需要關(guān)心在一個周期內(nèi)各個瞬間的環(huán)路狀態(tài)。路狀態(tài)。從本節(jié)及從本節(jié)及4.3節(jié)的分析過程可以看到節(jié)的分析過程可以看到,之所以能用傳遞之所以能用傳遞函數(shù)來分析電荷泵鎖相環(huán)函數(shù)來分析電荷泵鎖相環(huán),關(guān)鍵是對電荷泵鑒相器輸出關(guān)鍵是對電荷泵鑒相器輸出的脈沖信號作了平均處理。當(dāng)然這樣處理會產(chǎn)生一定的脈沖信號作了平均處理。當(dāng)然這樣處理會產(chǎn)生一定誤差誤差,但在一定條件下但在一定條件下,這種誤差是允許的。這種誤差是允許的。作業(yè)作業(yè)P99 4-7除電荷泵鑒相器外除電荷泵鑒相器外,模數(shù)混合鎖相環(huán)中還可以采用其模數(shù)混合鎖相環(huán)中還可以采用其他二進制數(shù)字鑒相器他二進制數(shù)字鑒相器,比如觸發(fā)器式鑒相器、異或門比如觸發(fā)器式鑒相器

41、、異或門鑒相器以及或門鑒相器等。但這些鑒相器均無鑒頻鑒相器以及或門鑒相器等。但這些鑒相器均無鑒頻功能功能,環(huán)路捕捉性能也遠不如電荷泵鎖相環(huán)。電荷泵環(huán)路捕捉性能也遠不如電荷泵鎖相環(huán)。電荷泵鎖相環(huán)的唯一缺點是電路比較復(fù)雜。鎖相環(huán)的唯一缺點是電路比較復(fù)雜。4.5 集成電荷泵鎖相環(huán)集成電荷泵鎖相環(huán)CD4046CD4046(5G4046)是一個通用型集成電荷泵鎖相環(huán)。是一個通用型集成電荷泵鎖相環(huán)。CMOS電路電路,fmax=1MHz,電源電壓為電源電壓為515V。圖圖4.5.1示出了示出了CD4046的方框的方框圖。圖。LF接在接在2或或13端。端。9是是VCO的控制端。的控制端。11、12端外接的電端

42、外接的電阻用來改變頻阻用來改變頻率。率。圖圖4.5.1 CD4046方框圖方框圖VCO為一個數(shù)為一個數(shù)字門電路型壓字門電路型壓控振蕩器控振蕩器,圖圖4.5.2為它的為它的實際電路。實際電路。它在它在FM解調(diào)、解調(diào)、頻率合成、頻率合成、數(shù)據(jù)同步、數(shù)據(jù)同步、單音解碼、單音解碼、2FSK解調(diào)及解調(diào)及電動機速度電動機速度控制等方面控制等方面有廣泛的應(yīng)有廣泛的應(yīng)用。用。圖圖4.5.2 CD4046中中VCO實際線路實際線路VCO的振蕩頻率為的振蕩頻率為:TTPCCTTNcCRUVCRUtuf2188)(4.5.1)式中式中UTN和和UTP分別為分別為N溝道和溝道和P溝道場效應(yīng)管的閾溝道場效應(yīng)管的閾電壓。

43、當(dāng)不接電壓。當(dāng)不接R2時時,f的最低頻率可達幾十的最低頻率可達幾十Hz。使用使用CD4046時應(yīng)時應(yīng)注意注意:(1) 一般不使用一般不使用PD1,而使用而使用PD2。因。因PD1無鑒頻功能無鑒頻功能,環(huán)路的捕捉帶極小。環(huán)路的捕捉帶極小。(2)環(huán)路輸入信號一般為單頻信號、調(diào)角信號等連續(xù)信環(huán)路輸入信號一般為單頻信號、調(diào)角信號等連續(xù)信號。但不能把具有連號。但不能把具有連“1”或連或連“0”的數(shù)字基帶信號作的數(shù)字基帶信號作為輸入信號。因反饋信號為周期信號為輸入信號。因反饋信號為周期信號,在基帶信號連在基帶信號連“1”或連或連“0”期間期間,環(huán)路控制電壓將發(fā)生變化得不到正環(huán)路控制電壓將發(fā)生變化得不到正確

44、的位同步信號。確的位同步信號。（5）定時電阻、電容不同時定時電阻、電容不同時,VCO的靈敏度的靈敏度Ko不同不同,必須具體測量出必須具體測量出Ko值值,才能進行環(huán)路設(shè)計。才能進行環(huán)路設(shè)計。測量測量Ko的方法是的方法是:環(huán)路開路環(huán)路開路,在在9端外加控制電壓端外加控制電壓,接接通電源后用頻率計測量通電源后用頻率計測量4端信號的頻率。改變控制端信號的頻率。改變控制電壓（控制電壓小于電壓（控制電壓小于VCC),得到不同控制電壓下的得到不同控制電壓下的振蕩頻率振蕩頻率,從而得到控制特性曲線。求出從而得到控制特性曲線。求出VCO控制控制靈敏度的平均值。靈敏度的平均值。(3) 5端接地，端接地，VCO才能

45、正常工作。才能正常工作。(4) 工程設(shè)計中，一般取工程設(shè)計中，一般取C2=0.1C1，為進一步減小，為進一步減小鑒相紋波，可在鑒相紋波，可在9和和13端之間接一個小電阻，此電阻端之間接一個小電阻，此電阻對環(huán)路的數(shù)學(xué)模型無影響。對環(huán)路的數(shù)學(xué)模型無影響。測量測量Ip的方法是：環(huán)路開路，將的方法是：環(huán)路開路，將3端接地，端接地，14端接端接入信號，在入信號，在13端與地之間接一電阻端與地之間接一電阻R。（6）1端的相位脈沖是對相位比較器輸出的端的相位脈沖是對相位比較器輸出的u、d兩兩信號信號(見圖見圖4.1.9)進行異或處理得到的。當(dāng)環(huán)路鎖定進行異或處理得到的。當(dāng)環(huán)路鎖定時時,u、d 同相同相,1端

46、為低電平。端為低電平。接通電源后測量接通電源后測量R上的電壓上的電壓V，則，則Ip=V/R。注意，。注意，R不能太大，應(yīng)使不能太大，應(yīng)使V小于電源電壓小于電源電壓VCC。當(dāng)。當(dāng)VCC=5V時，時，用此方法對用此方法對CD4046進行測量的結(jié)果是：進行測量的結(jié)果是： IP=4.7mA,K0=9.9KHz/V圖圖4.1.9 CMOS數(shù)字鑒頻鑒相器數(shù)字鑒頻鑒相器4.6 電荷泵鎖相環(huán)頻率合成器電荷泵鎖相環(huán)頻率合成器目前目前,集成頻率合成器幾乎全部是電荷泵鎖相環(huán)。本節(jié)集成頻率合成器幾乎全部是電荷泵鎖相環(huán)。本節(jié)對電荷泵鎖相環(huán)頻率合成器的工作原理、環(huán)路性能參對電荷泵鎖相環(huán)頻率合成器的工作原理、環(huán)路性能參數(shù)數(shù)

47、、n n等作一簡單介紹等作一簡單介紹。在電荷泵鎖相環(huán)的反饋支路中加入程序分頻器在電荷泵鎖相環(huán)的反饋支路中加入程序分頻器,就組就組成了一個單環(huán)頻率合成器成了一個單環(huán)頻率合成器,如圖如圖4.6.1所示。所示。晶振晶振RFPDCPLFVCOfrfVNfv /N圖圖4.6.1電荷泵鎖相環(huán)頻率合成器電荷泵鎖相環(huán)頻率合成器環(huán)路鎖定時環(huán)路鎖定時fr=fV/N,即即fV=Nfr,fr為參考頻率。當(dāng)為參考頻率。當(dāng)N的變的變化范圍為化范圍為NminNmax時時,輸出頻率的變化范圍輸出頻率的變化范圍為為:fV=NminfrNmaxfr若若N是連續(xù)變化的是連續(xù)變化的,則相臨頻道的頻率間隔則相臨頻道的頻率間隔(簡稱簡稱

48、頻道頻道間隔間隔)為為: f=fr分頻器分頻器R就是為滿足頻道間隔的要求而設(shè)置的。就是為滿足頻道間隔的要求而設(shè)置的。由于分頻器的輸出相位是輸入相位的由于分頻器的輸出相位是輸入相位的1/N,故在電荷泵故在電荷泵鎖相環(huán)數(shù)學(xué)模型的反饋支路中加入傳遞函數(shù)為鎖相環(huán)數(shù)學(xué)模型的反饋支路中加入傳遞函數(shù)為1/N的的環(huán)節(jié)環(huán)節(jié),就可得到頻率合成器的數(shù)學(xué)模型。設(shè)鎖相環(huán)是就可得到頻率合成器的數(shù)學(xué)模型。設(shè)鎖相環(huán)是二階的二階的,則頻率合成器的數(shù)學(xué)模型如圖則頻率合成器的數(shù)學(xué)模型如圖4.6.2所示。所示。KdKo/sss1211/Ni(s)e(s)o(s)ud(s)uc(s)圖圖4.6.2 二階電荷泵鎖相環(huán)頻率合成器相位模型二

49、階電荷泵鎖相環(huán)頻率合成器相位模型可見可見,若把圖若把圖4.3.2所示環(huán)路的增益由所示環(huán)路的增益由KdKo變?yōu)樽優(yōu)镵dKo/N,則它的特性方程就是圖則它的特性方程就是圖4.6.2所示環(huán)路的特性方程。所示環(huán)路的特性方程。Kdss121Ko/si(s)e(s)o(s)ud(s)uc(s)圖圖4.3.2 二階電荷泵二階電荷泵PLL的相位模型的相位模型環(huán)路的特性參數(shù)環(huán)路的特性參數(shù)、n取決于其特性方程。比較圖取決于其特性方程。比較圖4.6.2和和4.3.2。KdKo/sss1211/Ni(s)e(s)o(s)ud(s)uc(s)圖圖4.6.2 二階電荷泵鎖相環(huán)頻率合成器相位模型二階電荷泵鎖相環(huán)頻率合成器相

50、位模型根據(jù)理想二階環(huán)的特性參數(shù)公式根據(jù)理想二階環(huán)的特性參數(shù)公式,可得可得理想二階理想二階環(huán)頻率合成器的環(huán)路特性參數(shù)公式環(huán)頻率合成器的環(huán)路特性參數(shù)公式為為:nododnCRNKKNKK2212121(4.6.1)(4.6.2)當(dāng)采用當(dāng)采用電流型電荷泵鎖相環(huán)時電流型電荷泵鎖相環(huán)時,有有:nopopnCRNCKICRNCKI2222121121(4.6.3)(4.6.4)當(dāng)采用當(dāng)采用電壓型電荷泵鎖相環(huán)時電壓型電荷泵鎖相環(huán)時,有有:nopopnCRNCRKVCRNCRKV222212111211(4.6.5)(4.6.6)設(shè)計頻率合成器時設(shè)計頻率合成器時,必須保證在所有的頻道上必須保證在所有的頻道上、

51、n n都能滿足要求都能滿足要求。一般應(yīng)一般應(yīng)0.5,以滿足穩(wěn)定余量的要求以滿足穩(wěn)定余量的要求。頻率合成器的許多性能指標都與頻率合成器的許多性能指標都與n n有關(guān)有關(guān)。將在以后。將在以后介紹。其中重要的一點是介紹。其中重要的一點是,fn應(yīng)遠小于參考頻率以提應(yīng)遠小于參考頻率以提高頻率合成器的雜波抑制度高頻率合成器的雜波抑制度?？梢娍梢?頻率合成器的環(huán)路性能參數(shù)與程序分頻器的分頻率合成器的環(huán)路性能參數(shù)與程序分頻器的分頻比頻比N有關(guān)。有關(guān)。下面舉例說明電荷泵鎖相環(huán)頻率合成器環(huán)路性能參數(shù)下面舉例說明電荷泵鎖相環(huán)頻率合成器環(huán)路性能參數(shù)及有關(guān)指標的計算方法。及有關(guān)指標的計算方法。Kdss121ud(s)Ko

52、uc(t)i i(s)(s)(s)(s)V V(s)(s)圖圖4.3.3 二階電荷泵二階電荷泵PLL的頻率模型的頻率模型在圖在圖4.3.3的反饋支路中加入的反饋支路中加入1/N環(huán)節(jié)即為電荷泵鎖環(huán)節(jié)即為電荷泵鎖相環(huán)頻率合成器的頻率模型相環(huán)頻率合成器的頻率模型,分析其捕捉性能時應(yīng)把分析其捕捉性能時應(yīng)把KdKo換成換成KdKo/N。Kdss121ud(s)Kouc(t)i i(s)(s)(s)(s)V V(s)(s) 二階電荷泵頻率合成器的頻率模型二階電荷泵頻率合成器的頻率模型1/N例例4.1 某電荷泵鎖相環(huán)頻率合成器某電荷泵鎖相環(huán)頻率合成器,fr=24.04kHz,Ip=4mA,N=159549,

53、Ko=1.2MHz/V。環(huán)路濾波器如圖。環(huán)路濾波器如圖4.4.1所示所示,C1=0.22F, R2=8 20,C2=0.022F 。求此頻率合成器的輸出頻率范圍、自然諧振頻率、阻求此頻率合成器的輸出頻率范圍、自然諧振頻率、阻尼系數(shù)及環(huán)路捕捉時間。尼系數(shù)及環(huán)路捕捉時間。解解:fV=(NminNmax)fr=3.8223613.19796MHz由于由于C2C1,可將此環(huán)路作為理想二階環(huán)處理可將此環(huán)路作為理想二階環(huán)處理,其其n n和和有一定變化范圍有一定變化范圍, ,故求出其最大值和最小值故求出其最大值和最小值, ,即即: :id(t)C2C1uc(t)R2Z F圖圖4.4.1 三階電流型三階電流型

54、PLL的環(huán)路濾波器的環(huán)路濾波器06. 11017. 121022. 0820)(2/1017. 11591022. 0102 . 11042)(57. 01063. 021022. 0820)(2/1063. 05491022. 0102 . 11042)(46max12max4663min1max46min12min4663max1minnopnnopnCRsradNCKICRsradNCKI可見可見,=0.571.06,可保證環(huán)路有足夠的穩(wěn)定余量可保證環(huán)路有足夠的穩(wěn)定余量。fn=1.001.86kHzfr,可使雜波抑制度比較高。可使雜波抑制度比較高。下面計算環(huán)路的下面計算環(huán)路的捕捉時間。捕

55、捉時間。在頻率合成器中在頻率合成器中,每變換一次頻道每變換一次頻道,環(huán)路就要重新捕環(huán)路就要重新捕獲一次獲一次,其捕捉時間與起始頻差、其捕捉時間與起始頻差、n n及及r r有關(guān)有關(guān)?？梢圆捎萌斯る娬{(diào)方法可以采用人工電調(diào)方法,使環(huán)路起始頻差足夠小使環(huán)路起始頻差足夠小,從從而通過式而通過式(4.3.8)來計算捕捉時間。來計算捕捉時間。頻率捕捉時間頻率捕捉時間為為:msTnrf78. 01022. 0820)1063. 0(21004.2422624322相位捕捉時間相位捕捉時間為為:msTn4 . 11063. 057. 0554nnrfpTTT5222(4.3.8)捕捉時間捕捉時間為為: Tp=T

56、f+T=2.18ms若不采用人工電調(diào)方法若不采用人工電調(diào)方法,則當(dāng)則當(dāng)N為為549變?yōu)樽優(yōu)?59時時,環(huán)環(huán)路的起始頻差最大路的起始頻差最大,即即: fMAX=13 197.96MHzrfKHzKHzf97.58)04.24159/96.13197()0(用式用式(4.3.10)來計算捕捉時間來計算捕捉時間,得得:mssTnop97. 2)1063. 0(1097.582)/(2432例例4-2 某電壓型電荷泵鎖相環(huán)頻率合成器某電壓型電荷泵鎖相環(huán)頻率合成器,fr=10kHz,Vp=9v,輸出頻率范圍輸出頻率范圍2728MHz,Ko=106Hz/v,要求環(huán)要求環(huán)路捕捉時間小于路捕捉時間小于1.5m

57、s,試設(shè)計環(huán)路濾波器。試設(shè)計環(huán)路濾波器。設(shè)計環(huán)路濾波器就是確定設(shè)計環(huán)路濾波器就是確定R1、R2、C1這三個元件的這三個元件的大小。它們要滿足捕捉時間的要求大小。它們要滿足捕捉時間的要求,同時要兼顧環(huán)路同時要兼顧環(huán)路穩(wěn)定性及雜波抑制度等要求。穩(wěn)定性及雜波抑制度等要求。解解:環(huán)路濾波器采用理想二階環(huán)環(huán)路濾波器采用理想二階環(huán): Aud(t)R1uc(t)I1(t)R2C1I2(t)uc(t)(a)電路圖電路圖圖圖2.1.6 有源比例積分濾波器有源比例積分濾波器為確保環(huán)路有足夠的穩(wěn)定余量為確保環(huán)路有足夠的穩(wěn)定余量,N為最大時為最大時,取取=0.7。椐椐fv=Nfr,可得可得 N=27002800由于由于N比較大比較大,當(dāng)頻率合成器變換頻道時當(dāng)頻率合成器變換頻道時,環(huán)路的最大環(huán)路的最大起始頻差為起始頻差為(28000/2700-10)kHz=0.370kHz,遠小于遠小于鑒相頻率鑒相頻率,所以可用式所以可用式(4.3.8)來計算捕捉時間。來計算捕捉時間。nnnrfpTTT5222(4.3.8)先假設(shè)相位