鎖相環中無源濾波器的設計

摘要：環路濾波器是鎖相環中的一個關鍵模塊，一般采用有源和無源兩種。本文對無源濾波器的結構以及濾波器對鎖相環性能的影響進行了分析，總結了無源二階的設計方法，然后針對三階無源濾波器進行了設計，通過仿真可以看出結果滿足了設計指標。

關鍵詞：鎖相環；無源濾波器；相位裕度

中圖分類號：TN713.4文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)26-1846-04

The Design of Passive Filter in PLL

HONG Wei

(Anhui Electric Power Research Institute， Hefei 230022， China)

Abstract: Loop filter is one of the most important parts in PLL system. There are two kinds of filter which are active filter and passive filter. We analyzed the structure of passive filter and the influence to the PLL performance in this paper. We summarized the design method of second order passive filter， and designed the third passive filter. Throughout the simulation results， we find the design is satisfied to specification.

Key words: phase lock loop; passive filter; phase margin

1 引言

隨著現代通訊尤其是無線通訊領域的飛速發展，帶動了通訊應用集成電路的發展。通訊應用集成電路的發展方向是高集成度、低功耗、低成本和高可靠性。應用于頻率合成的鎖相環(PLL)在通訊系統和數字信號處理系統中是一個非常關鍵的部件，用于提供一個可調高精度的本地頻率信號。例如在雷達、電視、通訊、宇航等領域中都得到了廣泛的應用[1，2]。環路濾波器鎖相環電路的重要環節，連接在電荷泵和壓控振蕩器之間，鎖相環的基本頻率特性是由環路濾波器決定的。實際上正是由于環路濾波器的存在，鎖相環才可以選擇工作在任意中心頻率和帶寬內。環路濾波器可以采用無源濾波器或有源濾波器。一般來說，低階鎖相環可以采用無源濾波器或者有源濾波器，例如二階濾波器。但是對于高階鎖相環，如果采用高階有源濾波器， 由于其電路結構復雜，有源器件引入的相位噪聲過大，增益隨工藝、溫度的變化而波動范圍較大，使得本身就比較“脆弱”的高階鎖相環的穩定性變得更差。而對于高階鎖相環，使用高階無源濾波器卻可以達到電路結構簡單、低噪聲、高穩定度的目的[3，4]。隨著現代通訊技術的發展， 低階鎖相環已經無法滿足需要，因此， 研究用于高階鎖相環的高階無源濾波器的設計是非常有必要的。

2 無源濾波器的設計

通常用于鎖相環的環路濾波器包括無源濾波器與有源濾波器兩種，雖然有源濾波器能夠更有效的抑制紋波，減小輸出雜散，但其中的運放電路也同樣引入了噪聲，同時也消耗了更多的功耗，因此在實際應用中，一般多采用無源濾波器，常見的為二階和三階無源濾波器，其結構如圖1所示[5]。

2.1 二階無源環路濾波器的設計

圖1左側結構為典型的二階無源濾波器。通常我們通過環路帶寬和相位裕度來計算濾波器參數。一般我們取相位裕度為30°～70°。

二階濾波器的傳輸函數為：

至此，三階鎖相環的無源環路濾波器的設計可以由(11)、(12)和(13)式得出。總結其設計流程如下：

1) 確定壓控振蕩器的增益Kvco。

2) 確定鎖相環的環路帶寬，通?？紤]到環路穩定性，最高帶寬取參考頻率的十分之一至十五分之一。

3) 確定電荷泵的電流Icp，通常要折衷考慮電容的面積以及對鎖相環輸出雜散的抑制等。

4) 確定分頻比N，一般都由實際應用所決定。

5) 確定相位裕度PM，則零點和極點的位置由(11)式可以得出。

6) 由帶寬、電荷泵的電流、相位裕度、分頻比和壓控振蕩器的增益，可以通過(13)式得到R1。

7) 由(12)式計算出C1和C2。

2.2 三階無源環路濾波器的設計

為了抑制雜散，通常在二階濾波器的輸出串連一個電阻并聯一個電容，構成三階濾波器的結構，如圖1右側電路所示。此三階濾波器的傳輸函數為：

設對輸出雜散的抑制為：

參考文獻：

[1] 高厚芹，楊盈昀．電視原理與接收技術[M]. 北京：國防工業出版社，2002．

[2] A.Karim Hadjizada， J.Fenk， E.Goetz， B.Scheckel.TV and TVSAT Mix-oscillator PLL ICs [J]. IEEE Trans. Consumer Electronics， 1995， 41(3):942-945

[3] Roland E. Best. Phase locked loop design， simulation and application(5th Edition)[M]. New York: McGraw Hill，2003.

[4] 孫鐵．一種用于藍牙收發機的2.4GHZ CMOS鎖相環頻率合成器設計[D]．上海：上海交通大學，2006．

[5] 姜梅， 劉三清， 李乃平．用于電荷泵鎖相環的無源濾波器的設計[J]．微電子學，2003，33(4):339-343.