環(huán)路濾波器概述

鎖相環(huán)系統(tǒng)的環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)，是鎖相環(huán)設(shè)計(jì)的核心部分之一，通過設(shè)置合適的環(huán)路帶寬和相位裕度，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)在穩(wěn)定的前提下，將電荷泵電流通過積分轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；輸出的電壓能滿足壓控振蕩器調(diào)諧電壓要求。輸出較為純凈的頻率。

環(huán)路濾波器分類：無源濾波器與有源濾波器

無源濾波器：

無源比例積分濾波器是環(huán)路中最常用的無源環(huán)路濾波器，只需要幾個(gè)電阻和電容就可以輕易的搭出來。

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單而且所占用空間小，相對(duì)而言成本較低，相位噪聲更優(yōu)。

缺點(diǎn)：對(duì)于調(diào)諧電壓較高的電路，無源環(huán)路無法提供增益。導(dǎo)致設(shè)計(jì)過程中會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)無法鎖定的情況，此時(shí)需要通過有源環(huán)路來實(shí)現(xiàn)增益補(bǔ)償，達(dá)到我們的設(shè)計(jì)要求。

注意：濾波器階數(shù)增加濾波器的過渡帶將變窄，對(duì)應(yīng)頻譜圖中的譜線將會(huì)更加陡峭，濾波器的性能也更加接近理想濾波器。增加階數(shù)可能會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定，所以在設(shè)計(jì)時(shí)一般采用三階或四階環(huán)路濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)，不能無限制增加階數(shù)。三階電路圖如下圖所示。

三階無源濾波器

有源****濾波器

優(yōu)點(diǎn)：濾波的同時(shí)能放大信號(hào)的功率。

缺點(diǎn)：相對(duì)而言體積更大，成本更高。將引入的噪聲更多，系統(tǒng)的輸出端相位噪聲惡化，

注意：電荷泵電流流經(jīng)R1時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生噪聲，設(shè)計(jì)過程中其電阻R1盡量取較小值，可以適當(dāng)減少運(yùn)算放大器的影響。所以設(shè)計(jì)有源環(huán)路濾波器的時(shí)需采用低噪聲的有源運(yùn)放。

一階有源

四階無源有源電路圖

環(huán)路設(shè)計(jì)指標(biāo)

主要關(guān)注環(huán)路帶寬和相位裕度兩個(gè)指標(biāo)。相位裕度保證系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，環(huán)路帶寬設(shè)計(jì)可以確保系統(tǒng)的相位噪聲較低，雜散抑制較好。

截止頻率根號(hào)下1/RC，每十倍頻衰減-20dBc，截至頻率處的相位為45°，截止頻率的環(huán)路增益為-3dB。

環(huán)路帶寬越大，鎖相環(huán)的鎖定時(shí)間越短，但是雜散抑制性能會(huì)變差；相位裕度越小，鎖定時(shí)間越短，但是會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定；環(huán)路帶寬對(duì)于鎖相環(huán)相位噪聲的影響則比較復(fù)雜，需要根據(jù)環(huán)路中各器件的相位噪聲貢獻(xiàn)折中選取一個(gè)合適的環(huán)路帶寬。

一般來說，環(huán)路帶寬不得大于參考信號(hào)頻率的十分之一，相位裕度設(shè)置為45°左右（30°~60°），系統(tǒng)比較穩(wěn)定。為了確保環(huán)路穩(wěn)定?設(shè)計(jì)中通常要求相位余量在至之間。

在鎖相環(huán)的實(shí)際設(shè)計(jì)中，環(huán)路濾波器的參數(shù)計(jì)算可以借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件來完成，如ADIsimPLL仿真軟件或PLLatinum Sim。

PLLatinum Sim來配置我們的環(huán)路濾波器：軟件會(huì)根據(jù)用戶設(shè)定的環(huán)路帶寬自動(dòng)設(shè)置環(huán)路濾波器值。在本設(shè)計(jì)中，我們將環(huán)路濾波器的階數(shù)設(shè)為4階，環(huán)路帶寬cw設(shè)為10kHz，鑒相頻率設(shè)為10MHz，輸出頻率為535MHz。設(shè)置完后，軟件自動(dòng)計(jì)算出一組參數(shù)。

其他參數(shù)例子：

鑒相頻率為20MHz，環(huán)路帶寬設(shè)置在100KHz附近；

鑒相頻率為60~80MHz，環(huán)路帶寬在150KHz附近；

鑒相頻率為10MHz,環(huán)路濾波器帶寬設(shè)置130kHz附近；

鑒相頻率為122.88MHz，環(huán)路帶寬選擇為70kHz，相位裕度選擇為50°；

鑒相頻率為10MHz,環(huán)路帶寬取200kHz，選取相位裕48°。

當(dāng)然仿真計(jì)算出來的環(huán)路參數(shù)只是參考，板子做出來之后，還需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)環(huán)路濾波器參數(shù)進(jìn)行微調(diào)。

鎖相環(huán)本身相當(dāng)于一個(gè)可移動(dòng)的窄帶濾波器。還需要注意，鎖相環(huán)內(nèi)不允許再加窄帶濾波器，當(dāng)反饋信號(hào)通過時(shí)，必定會(huì)產(chǎn)生相移，使得環(huán)路相位裕度不夠，最終導(dǎo)致環(huán)路產(chǎn)生自激。