基于ADIsimPLL 3．1的锁相环环路滤波器设计

摘要：对锁相环环路滤波器进行简单分析，对ADIsimPLL 3．1模拟软件的功能特点做了简要介绍，并利用仿真软件对一款频率合成器的环路滤波器进行仿真设计，结果表明该软件在设计应用中方便快捷，能够帮助设计出满足指标要求且性能稳定的环路滤波器。
关键词：环路带宽；PLL；环路滤波器；压控灵敏度

0 引言
    随着通信技术在各个领域的高速发展，频率合成器作为通信设备的重要组成部分，对其也提出了越来越高的设计要求，不但要能满足宽的频率范围、高的频率稳定度和准确度，而且要求其具有良好的杂散和相位噪声、快速的频率切换。
    频率合成技术是利用参考频率源来产生具有一系列离散的、高准确度、高稳定度频率信号的一项技术。锁相式频率合成器是利用锁相环(PLL)将压控振荡器(VCO)的频率锁定在某一个频率点上，由压控振荡器产生并输出所需的频率，这种方法输出频率稳定，杂散抑制好，输出频率范围宽。随着锁相环电路集成化、数字化和小型化的不断发展，已经出现了具有快锁功能的锁相环芯片，当前，锁相式频率合成技术得到了最为广泛的应用。环路滤波器是锁相环频率合成器的关键部分，是频率合成器设计中的一个最重要的环节，其参数的合理设计直接关系到频率合成器输出频率信号的杂散、相位噪声、稳定度及频率转换时间等多项指标，间接的影响通信系统的载波质量、接收性能、发射和接收信噪比、接收灵敏度及通信距离等。

1 环路滤波器参数分析
    PLL频率合成器的基本框图如图1所示。

    环路滤波器是由电阻、电容或者还有放大器组成的线性电路，是一种低通滤波器。它的作用是滤除掉来自PLL电路中鉴相器输出电压Vd(t)中的高频成分和噪声分量，得到一个干净的控制电压Vc(t)去控制压控振荡器的频率输出。环路滤波器包括有源环路滤波器和无源环路滤波器，可根据所选用的锁相环芯片和压控振荡器来确定环路滤波器的形式。
    环路滤波器的主要指标包含：环路带宽、锁定时间、直流增益、高频增益和阻尼系数等。其各项参数是根据环路中的VCO增益、电荷泵增益以及鉴相器的分频比而设计的。
    环路参数设计中最为重要的参数是环路带宽，环路带宽与参考频率、PFD和环路LP相位噪声成正比关系，它与VCO的相位噪声、锁定时间和分辨率成反比关系。设计中进行环路带宽参数的合理选择有利于VCO的相位噪声、锁定时间、系统分辨率等多项指标的兼顾。
    环路滤波器设计中需满足的参数指标高、受到的因素多，设计过程中计算公式复杂，难度较大。ADIsim PLL 3．1仿真软件具有强大的模拟仿真功能，可利用其进行模拟仿真设计，快捷方便、准确合理的设计出稳定的环路滤波器，降低设计过程中的计算量，大大提高设计效率因而在锁相环频率合成技术中得到了广泛的应用。

2 ADIsimPLL 3．1功能介绍
    ADIsimPLL 3．1是一款全面的PLL频率合成器设计和仿真工具，此软件具有性能优良的模拟设计能力，其设计环境是基于ADI系列锁相环芯片而设计的，因此，对ADI的锁相环芯片而言，可以充分利用ADIsim PLL 3．1的强大功能，将环路滤波器设计得尽可能完美，而对具有相似功能的频率合成器PLL芯片而言，可以对模拟仿真结果做一些必要的参数调整和修正，对环路滤波器的设计和性能提高也是很有帮助的。总之，ADIsimPLL 3．1设计仿真软件的应用领域是十分广泛的。
    ADIsimPLL 3．1设计仿真软件的主要特点有：适用频率范围可达6 GHz；具有整数分频和小数分频两种分频模式可供选择；具有多种的环路滤波器电路形式可供选择；参考频率源可根据需求选择应用；包含丰富的可供选择的PLL芯片；可仿真频率合成器输出的相位噪声及杂散指标结果；对频率转换时间可进行模拟输出；按照仿真结果模拟分析出所需电路的相关元器件参数。

3 环路滤波器的设计应用
    实际工作中拟设计一款频率合成器，其相关技术指标要求包括：频率范围满足600～658 MHz；频率间隔为25 kHz；相位噪声满足-90dBc ／Hz@10 kHz和-135 dBc／Hz@1 MHz；频率切换时间不大于2 ms。根据设计要求，参考频率源定为10 MHz温补振荡器，其频率稳定度可达6× 10-7，可满足系统所要求的频率稳定度，锁相环芯片选择ADI公司的ADF4156，该芯片具有高达6 GHz的RF输入频率，可满足输出频率范围要求，另外此芯片具有小数分频功能，可实现25 kHz的频率间隔，由于ADF4156芯片的Vp最大值为5．5 V，压控振荡器的压控灵敏度为15MHz／  V，尽可能低的压控灵敏度有利于输出相位噪声指标的提高。
    对锁相环电路及压控振荡器选定后，下面进入工作重点，即环路滤波器的设计，设计中根据选择的锁相环ADF4156，环路滤波器选三阶的无源滤波器，电路形式如图2所示。

    图2中电容器C1将来自电荷泵(ADF4156的CP脚)的脉冲转化为直流电压，但是根据对开环传递函数分析，它会引起环路的不稳定性，引入了电阻器R1和电容器C2是为了稳定环路，但同时又带来的相应的纹波干扰，电阻器R2和电容器C3能够滤除纹波干扰，同时可以滤除由鉴相频率带来的杂散分量。
    设计中环路带宽的参数确定是非常重要的，从环路噪声带宽来看，BL应该选择最小值，从环路稳定性来看，ξ(阻尼系数)越大环路越稳定。由于设计要求中对频率切换时间的要求为不小于2 ms，在环路带宽的选择上可以进行折衷，从而兼顾噪声抑制、频率切换时间和环路的稳定性。
    根据设计要求在ADIsimPLL 3．1的设计界面中需要进行各项参数的设置，首先选择PLL芯片ADF4156，进行一系列的参数配置：工作频率范围fmin=600 MHz，fmax=658 MHz；鉴相频率选择fPFD=1 MHz；设置MOD值为8，即可实现的频率间隔；设置VP=5．2 V，最高可设置5．5 V；环路滤波器电路格式选择CPP_3C；压控灵敏度KV=15 MHz／V；参考频率的输入为10 MHz(温补晶体振荡器输入)；环路带宽BL设置为5 kHz。
    各项参数设置完成后选择"完成"，进行模拟仿真计算，环路滤波器的仿真结果可以清楚地显示出相位噪声曲线、频率切换时间、杂散分布以及环路增益等多项仿真结果，并生成环路滤波器各电阻器和电容器的参数值。最后，可根据工程设计的要求，对相应器件的参数值进行调整，以满足实际应用中工程设计的要求，参数调整过程中，所有仿真结果是可以实时更新的，这样有利于调整过程中对仿真结果的掌握。

    基于以上仿真参数的设置，模拟仿真出的电路原理图如图3所示。

    频率切换时间的仿真结果如图4所示。
    仿真结果显示，频率转换过程中达到下一频点稳定状态的切换时间为1．26 ms，可满足设计要求中频率切换时间不大于2 ms的要求。
    相位噪声的仿真结果如图5所示。
    模拟输出的PLL相位噪声为输出频率在628 MHz(中间频率)频率点上的相位噪声曲线，从图中可看到相位噪声分布：-105 dBc／Hz@10 kHz；1 MHz处可优于-160 dBc／Hz，能满足设计要求。
    根据仿真结果对PCB(印制电路板)中的环路滤波器进行参数配置，经过装配调试，并与控制电路进行联试及指标测试，电路正常工作，达到了设计预期目标，测试结果与仿真结果基本达到一致，满足频率输出范围600～658 MHz，最大频率切换时间可达到1．45 ms(使用仪器为安捷伦公司的信号综合测试仪E5052B)，相位噪声测试结果为-103 dBc／Hz@10 kHz，-155 dBc／Hz@1 MHz(使用仪器为PN9000)，杂散指标在全频段范围内可达到-75 dBc，频率稳定度可满足要求(温补晶体振荡器指标保证)，频率合成器在要求的温度范围(-40～60℃)各项工作性能稳定。

4 结语
    通过利用ADIsimPLL 3．1模拟仿真软件，进行基于ADF4156频率合成器芯片的环路滤波器的成功设计，由理论设计指导工程实际，提高了工作效率，减轻了设计过程中繁重的计算量，始终能够将设计目的和设计过程有效地结合在一起，有助于简捷快速的设计出符合要求的频率合成器的环路滤波器。举一反三，在设计过程中可广泛的应用模拟仿真软件，进行前期的理论分析指导，对实际的设计工作将有很大的帮助。