基于壓控振蕩器（VCO）的高性能鎖相環(huán)（PLL）設(shè)計(jì)

限制PLL性能的主要特性有相位噪聲、雜散頻率和鎖定時(shí)間。

相位噪聲：相當(dāng)于時(shí)域中的抖動(dòng)，相位噪聲是振蕩器或PLL噪聲在頻域中的表現(xiàn)。它是PLL中各器件所貢獻(xiàn)噪聲的均方根和。基于電荷泵的PLL可以抑制環(huán)路濾波器帶寬內(nèi)的VCO噪聲。在環(huán)路帶寬之外，VCO噪聲占主導(dǎo)地位。

雜散：雜散頻率由電荷泵定期更新VCO調(diào)諧電壓而引起，并以與載波相差PFD頻率的偏移頻率出現(xiàn)。在小數(shù)N分頻PLL中，小數(shù)分頻器操作也會(huì)引起雜散。

鎖定時(shí)間：從一個(gè)頻率變?yōu)榱硪粋€(gè)頻率或響應(yīng)瞬時(shí)偏移時(shí)，PLL的相位或頻率返回鎖定范圍所需的時(shí)間。它以頻率或相位建立性能來(lái)確定，其作為特性的重要程度視應(yīng)用而定。

為什么VCO仍然用高壓？
高性能VCO是最后幾種不為硅集成潮流所動(dòng)的電子器件之一。僅幾年前，手機(jī)所用的VCO才完全集成到手機(jī)無(wú)線(xiàn)電芯片組中。但是，在蜂窩基站、微波點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)、軍用和航空航天產(chǎn)品以及其它高性能應(yīng)用中，基于硅的VCO則能力有限，仍然需要采用分立方式來(lái)實(shí)施VCO。原因如下：

大多數(shù)商用分立VCO采用容值可變的變?nèi)荻O管，作為L(zhǎng)C振蕩電路的可調(diào)諧元件。改變二極管的電壓會(huì)改變其電容，從而改變振蕩電路的諧振頻率。

變?nèi)荻O管的任何電壓噪聲都會(huì)被VCO增益KV（用MHz/V表示）放大，并轉(zhuǎn)換為相位噪聲。要使VCO相位噪聲保持最小，KV必須盡可能小，但為了實(shí)現(xiàn)合理的寬調(diào)諧范圍，KV必須較大。因此，對(duì)于要求低相位噪聲和寬調(diào)諧范圍的應(yīng)用，VCO制造商通常會(huì)設(shè)計(jì)低增益、輸入電壓范圍較大的振蕩器，以滿(mǎn)足這些相互矛盾的要求。

窄帶VCO的典型電壓調(diào)諧范圍為0.5 V至4.5 V，寬帶VCO通常為1 V至14 V，某些情況下可以寬達(dá)1 V至28 V。

同軸諧振器振蕩器(CRO)是另一種特殊類(lèi)型VCO，利用極低增益和寬輸入調(diào)諧電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)超低相位噪聲，通常用于窄帶專(zhuān)用移動(dòng)無(wú)線(xiàn)電和陸地移動(dòng)無(wú)線(xiàn)電應(yīng)用。

與高壓VCO接口
大多數(shù)商用PLL頻率合成器IC提供電荷泵輸出，其上限約為5.5 V；當(dāng)環(huán)路濾波器僅使用無(wú)源器件時(shí)，VCO要求較高的調(diào)諧電壓，該輸出不足以直接驅(qū)動(dòng)VCO。為了達(dá)到較高的調(diào)諧電壓，必須利用運(yùn)算放大器電路實(shí)施有源環(huán)路濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

實(shí)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)的最簡(jiǎn)單方法是在無(wú)源環(huán)路濾波器之后添加一個(gè)增益級(jí)。雖然易于設(shè)計(jì)，但這種方法有幾個(gè)缺點(diǎn)：反相運(yùn)算放大器配置具有低輸入阻抗，會(huì)使無(wú)源環(huán)路濾波器承受負(fù)載，從而改變環(huán)路動(dòng)態(tài)特性；同相配置具有足夠高的輸入阻抗，不會(huì)使濾波器承受負(fù)載，但有源濾波器增益會(huì)放大運(yùn)算放大器的任何噪聲，從而無(wú)法受益于前置無(wú)源環(huán)路濾波器的濾波功能。更好的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是將增益級(jí)與濾波器集成于單一有源濾波器模塊中。建議采用前置濾波，避免來(lái)自電荷泵的極短電流脈沖過(guò)驅(qū)放大器，否則這可能會(huì)限制輸入電壓額定值。

圖3顯示建議有源濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的兩個(gè)示例，其中前置濾波分別使用反相和同相增益。請(qǐng)注意，這些放大器電路是真時(shí)間積分器，可強(qiáng)迫PLL環(huán)路在輸入端保持零誤差。環(huán)路之外，所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能會(huì)漂移至供電軌

a. 反相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

b. 同相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
圖3. 采用前置濾波的有源濾波器

反相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)是可以將電荷泵輸出偏置在固定電壓，通常為電荷泵電壓的一半(VP/2)，此時(shí)對(duì)雜散性能最有利。注意應(yīng)提供干凈的偏置電壓，最好是來(lái)源于ADP150等專(zhuān)用低噪聲線(xiàn)性穩(wěn)壓器，并在盡可能靠近運(yùn)算放大器輸入引腳處充分去耦。分壓器網(wǎng)絡(luò)所用的電阻值應(yīng)盡可能小，以便降低噪聲。使用反相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，必須確保PLL IC允許PFD極性反轉(zhuǎn)；如有必要，應(yīng)抵消運(yùn)算放大器的反轉(zhuǎn)，以正確的極性驅(qū)動(dòng)VCO。ADF4xxx系列就具有這種特性。

同相環(huán)路濾波器配置不需要專(zhuān)用偏置，因此這種解決方案可能更緊湊。此時(shí)，電荷泵電壓不是偏置在固定電平，而是在其工作電壓范圍內(nèi)變化。因此，采用此類(lèi)濾波器時(shí)，使用具有軌到軌輸入的運(yùn)算放大器更為關(guān)鍵。（下一節(jié)將說(shuō)明輸入電壓范圍要求。）

選擇運(yùn)算放大器
運(yùn)算放大器的選擇對(duì)于最大限度地發(fā)揮有源濾波器的潛能至關(guān)重要。除帶寬外，需要考慮的主要性能規(guī)格有：

• 噪聲電壓密度，用nV/√Hz表示
• 電流噪聲，用pA/√Hz表示
• 輸入偏置電流
• 共模電壓范圍

濾波器輸出直接影響所產(chǎn)生的頻率和相位；因此，運(yùn)算放大器的噪聲電壓密度可以顯示有源濾波器將增加多少相位噪聲。放大器噪聲在PLL環(huán)路帶寬內(nèi)和帶外均會(huì)產(chǎn)生影響，在環(huán)路濾波器的轉(zhuǎn)折頻率處最為顯著，具有高噪聲電壓密度的放大器尤其突出。因此，放大器噪聲必須保持較低水平，才能完成放大器和高壓VCO的使命，提供較低的相位噪聲。10 nV/√Hz以下是一個(gè)不錯(cuò)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。與誤差電流脈沖相比，電流噪聲一般非常小，因此其影響往往比電壓噪聲小得多。

相對(duì)于PFD輸出電流，如果運(yùn)算放大器具有較為明顯的輸入偏置電流，則可能會(huì)導(dǎo)致PLL輸出頻譜上出現(xiàn)較大的雜散。為使VCO調(diào)諧電壓保持恒定且PLL保持鎖定，電荷泵必須補(bǔ)償每個(gè)PFD周期中運(yùn)算放大器輸入端所耗用的偏置電流。這就會(huì)在PFD頻率調(diào)制VTUNE電壓，并在載波周?chē)痣s散，其偏移等于PFD頻率。輸入偏置電流越高，對(duì)VTUNE電壓的調(diào)制越大，雜散幅度越高。

共模電壓范圍或輸入電壓范圍(IVR)是運(yùn)算放大器的另一個(gè)重要特性，但常被忽視，導(dǎo)致終端設(shè)計(jì)發(fā)生嚴(yán)重問(wèn)題。IVR決定輸入引腳上最大/最小信號(hào)與正/負(fù)供電軌之間所需的間隙。

對(duì)于采用±15 V電源供電的早期運(yùn)算放大器，典型IVR為±12 V。后來(lái)加入了緩慢的橫向PNP輸入級(jí)，使得IVR可以包括負(fù)供電軌，從而提供單電源工作能力。雖然任何運(yùn)算放大器均能采用地和正電源供電，但必須注意輸入與供電軌的間距。

例如，頗受歡迎的OP27采用±15 V電源時(shí)，IVR為±12.3 V。這意味著，輸入電壓至少需要與正負(fù)供電軌相差±2.7 V。對(duì)于單電源供電、寬輸入擺幅應(yīng)用，范圍低端的這種限制將使該放大器缺乏吸引力。如果使用雙電源設(shè)計(jì)方案，則運(yùn)算放大器的選擇范圍廣得多（而且可輕松解決輸入偏置問(wèn)題）。如果必須采用單電源設(shè)計(jì)，請(qǐng)使用具有軌到軌輸入擺幅的運(yùn)算放大器（但其中許多放大器可能具有較高的噪聲電壓特性）。因此，為獲得最佳效果，運(yùn)算放大器需要具有低噪聲電壓密度、低輸入偏置電流和軌到軌輸入，以便實(shí)現(xiàn)低相位噪聲、低雜散和單電源供電。表1列出了ADI公司的一些運(yùn)算放大器及其上述設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)特性。

表1. 建議在PLL有源環(huán)路濾波器中使用的運(yùn)算放大器

運(yùn)算放大器	電壓噪聲, f = 1 kHz (nV/√Hz)	電流噪聲, f = 1 kHz (pA/√Hz)	輸入偏置電流（典型值）	輸入電壓范圍，與低供電軌的間隙(V)	VSUPPLY 最大電源電壓，單電源(V)
AD820	16	0.8	2 pA	–0.2	36
OP184	3.9	0.4	60 nA	0	36
AD8661	12	0.1	0.3 pA	–0.1	16
OP27	3	0.4	10 nA	+2.7	36
AD8099	2	8	100 nA	+1.3	12

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