锁相环环路特性分析

曲晓华，高晓强，贾岳珉

（中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄 050051）

0 引 言

随着通信、雷达等领域的不断发展，对锁相环（Phase Locked Loop，PLL）的性能指标要求越来越高，而锁相环产品的性能指标与锁相环的环路特性息息相关，因此研究锁相环系统的环路特性意义重大，只有了解影响环路特性的各个因素，才能有针对性地提出改善措施。

1 锁相环基本电路单元结构

复杂的频率源系统通常是由单个或者多个锁相环构成，其中单个锁相环是频率源系统的基本单元，由参考信号、参考分频器（R分频器）、鉴频鉴相器、电荷泵、射频分频器（N分频器）、环路滤波器、压控振荡器构成，其结构如图1所示[1]。

图1 锁相环电路结构

2 三阶有源环路滤波电路结构

与无源环路滤波器电路相比，有源环路滤波器输出电压不受电荷泵供电电压的影响，可以适用更多的应用场合，因此本文将针对有源环路滤波电路进行分析[3]。

2.1 三阶有源环电路结构

三阶有源环路滤波器的电路结构如图2所示。

图2 三阶有源环路滤波器结构

其中，ICP为电荷泵电流的输入端口，VT为环路滤波器电压输出端口，VCC的电压与电荷泵供电电压相同，运放的供电电压根据实际使用情况确定。R11和R12为运放正向输入端口分压电阻；C13、C14为电源滤波电容；R1、R2、R3、C1、C2、C3、C4、U1构成了三阶有源环路滤波电路结构。

2.2 三阶有源环路滤波器环路特性分析

三阶有源环路滤波器的电路特性分析实质是分析整个电路的交流信号特性，其交流等效电路如图3所示。

图3 三阶有源环路滤波器交流等效电路

3 整个锁相环路环路特性分析

因此从环路的传输函数中可以得到以下结论[4]：

（1）传输函数在0频处的相位变化为180°，幅度变化为-40 dB/10倍频程；

（2）每经过一个极点，幅度变化增加-20 dB/10倍频程；

（3）每经过一个零点，幅度变化增加20 dB/10倍频程；

（4）每经过一个极点，相位从1/10极点频率变化，到10倍极点频率结束，总共变化-90°，极点频率处变化-45°；

（5）每经过一个零点，相位从1/10极点频率变化，到10倍极点频率结束，总共变化90°，极点频率处变化45°。

在实际应用中，通常求解环路时已知量为环路带宽和相位余量，而环路带宽和相位余量又由环路的零极点分布决定，根据传输函数公式，零极点的位置和R1、R2、R3、C1、C2、C3、C4相关[5]。

当鉴相频率为50 MHz，锁定频率为5 GHz，环路带宽为500 kHz，相位余量为60°时，环路开环传递函数的幅值、相位特性如图4，图5所示。

图4 开环幅值特性曲线

图5 开环相位特性曲线

闭环相位噪声曲线如图6所示。

图6 闭环相位噪声曲线

4 产品制作及测试

为了验证文中对环路特性分析，设计并生产一款锁相环产品，其中鉴相频率为100 MHz，锁定频率为5 GHz，产品最终封装为12 mm×15 mm×3 mm，产品照片如图7所示。

图7 产品照片

相位噪声测试如图8所示。

图8 相位噪声测试结果

从测试结果中可以看出，产品测试结果与计算结果吻合。

5 结 论

本文分析了三阶有源环路滤波器的环路特性，并进行了实际产品制作及测试，测试结果与计算结果完全吻合，验证了环路分析的正确性，对环路参数调整有重要的指导意义。