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1、多阶载荷泵锁环跳的剖析和摹拟1 锁相环广泛应用于微处理器芯中的时钟发生器、硬盘驱动电路模块、时钟恢复电路等以及便携式消费电子产品中。在现代通信系统中，锁相环是收发机中的重要模块，它和分频器一起产生一系列稳定的频率点用作本振信号。近年来，随着集成电路（IC）产业的迅速发展和片上系统芯片（SoC）技术的日趋成熟，单片集成锁相环成为研究的热点，采用电荷泵单元的的电荷泵锁相环（CPPLL）是目前比较流行和研究较多的结构。2 锁相环的基本原理和线性化模型一个基本的电荷泵锁相环由鉴频鉴相器（PFD） 、电荷泵（CP） 、低通滤波器（LPF ）和压控振荡器（VCO ）组成。系统示意图如 1，其中 N 是分频
2、器的分频比。电荷泵锁相环基本工作过程如下：鉴频鉴相器比较输入参考信号和分频器输出信号的相位产生一个相位差，输出一个与相位差成正比的电压脉冲信号 u d，其中 u dkd（！1！2） ，k d（Vrad）为鉴频鉴相器的增益。鉴频鉴相器输出的 UP 和 DN 信号打开电荷泵开关，并对后端的电容充放电，从电荷泵进入低通滤波器电路，经二阶低通滤波器滤除高频和杂波信号产生一个比较稳定的直流电压控制 VCO 的输出频率，VCO 的输出频率经分频器降频后返回鉴频鉴相的输入端，与参考信号的相位进行比较，这就完成了一个循环过程。整个系统是个相位负反馈系统，系统在其可调节范围内系统可以自动的调节，使相位差逐渐向减
3、小的方向变化，最终相位差为零或维持在一个固定的值，从而 VCO 的输出稳定的频率。锁相环系统的整个锁定过程是个复杂的非线性过程，对于二阶以上的系统，非线性微分方程的求解非常困难。当相位差很小时，我们可以把它近似为一个线性模型。为了进一步的究锁相环的系统特性，我们给出它的线性模型。如 2，其中 kv，是 VCO 的灵敏度，Icp 是电荷泵的泵出电流，在单片集成锁相环中，低通滤波器通常采用的是无源滤波器，因为有源滤波器占用芯片面积大，容易引入了外界噪声。整个系统是个带二阶低通滤波器的三阶电荷泵锁相环，系统的开环传递函数 H0（s）和闭环传递函数 H（s） 。（1） （2）二阶无源低通滤波器的电路结
4、构如 3.二阶低通滤波器的传递函数：（3）其中，把（3）分别代入到（1） ， （2）式中可得到锁相环的开环、闭环传递函数。3 滤波器参数的确定锁相环中滤波器设计的好坏关系到锁相环的稳定性和捕捉跟踪性能等的优劣，优越的环路滤器参数不仅能减少环路捕捉、锁定时间，并能提高环路系统的稳定性能。一般认为相位裕度在 4560环路稳定性较好。增益交点对应相位特性曲线的峰值，我们说相位裕度达在增益交点达到最大，可获得最大的相位裕度”M，环路的稳定性最佳。如 4.4 参数确定和仿真结果设计一个三阶电荷泵锁相环，输入参考频率 f ref2MHz、VCO 的灵敏度 k v3.3MHzV 、输出的目标频率参数f vo
5、ut8MHz 、电荷泵电流 I cp100）A、环路带宽 fc100KHz，相位裕度60。通过自己编写的 MATLAB 程序计算出满足上述条件的滤波器的参数，结果见表 1，锁相环的开环、闭环传递函数的波特图分别见图 5、6.从 5 可以看出环路带宽 100KHz，相位裕度为 60。用 Agilent 公司的 ADS 软件做系统仿真，在实际的仿真中，把 VCO 的固有振荡频率设定在，图 7 为 VCO 控制电压随时间的变化曲线，开始出现了振荡，最后稳定的电压约为 0.6V，也可以看出环路开始锁定时间大约在 22）s。8 为锁相环锁定后输入信号和VCO 输出信号的波形图，可以看出 VCO 的输出频率为输入频率的4 倍，这也是锁相环在频率合成器中的一个方面的应用。5 结论电荷泵锁相环锁以其优越的性能被广泛的研究与应用，本文在分析电荷泵基本原理的基础上，在保证最佳相位裕度和环路带宽的条件下，通过数学分析导出环路滤波器的参数。使用 Agilent 公司的 ADS 软件做了电荷泵的系统仿真，达到了预期的结果。这种方法同样适合高阶电荷泵锁相环的设计和分析，对锁相环的系统设计和仿真以一定的指导意义。
