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在僅有零點(diǎn)電阻和電容可調(diào)節(jié)的情況下設(shè)計(jì)PLL濾波器

發(fā)布時(shí)間：2018-03-13 來源：Ken Gentile 責(zé)任編輯：wenwei

【導(dǎo)讀】如參考文獻(xiàn)中所描述，可采用標(biāo)準(zhǔn)過程來確定鎖相環(huán)(PLL)中二階環(huán)路濾波器的R0、C0 和CP 數(shù)值。它采用開環(huán)帶寬(ω0)和相位裕量(?M)作為設(shè)計(jì)參數(shù)，并可擴(kuò)展至三階環(huán)路濾波器，從而確定R2 和C2（圖1）。該過程可直接解出CP，然后推導(dǎo)出其余數(shù)值。

2 可能是集成在PLL內(nèi)的固定值元件，因此僅有R0 和C0 用來控制環(huán)路響應(yīng)。這便使得上述過程無效，因?yàn)闊o法調(diào)節(jié)CP。本文提出一種替代過程，可在CP 數(shù)值固定時(shí)使用，突破了無法控制CP 值造成的限制。

在僅有零點(diǎn)電阻和電容可調(diào)節(jié)的情況下設(shè)計(jì)PLL濾波器

圖1. 典型二階和三階無源環(huán)路濾波器

假設(shè)條件

本環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)方法基于兩個(gè)假設(shè)，在三階無源濾波器設(shè)計(jì)中，通過調(diào)節(jié)R0 和C0 來補(bǔ)償R2 和C2，可以將一個(gè)二階環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)擴(kuò)展為三階設(shè)計(jì)，此時(shí)通常會采用這兩個(gè)假設(shè)條件。

R2 和C2 形成的極點(diǎn)頻率應(yīng)當(dāng)至少比ω0（所需開環(huán)單位增益帶寬）大一個(gè)數(shù)量級；f0 ≤ 0.1/(2πR2C2)，其中f0 = ω0/(2π)。

R0-C0-CP 網(wǎng)絡(luò)的R2 和C2 串聯(lián)組合的負(fù)載可忽略不計(jì)。

二階環(huán)路濾波器的傳遞函數(shù)

二階環(huán)路濾波器有兩個(gè)時(shí)間常數(shù)（T1 和T2）與元件有關(guān)：

環(huán)路濾波器傳遞函數(shù)的T1、T2 和CP 很重要，因?yàn)樗鼘τ赑LL 的整體響應(yīng)起著很大的作用：

PLL系統(tǒng)函數(shù)

圖2 中的小信號模型為PLL響應(yīng)的等式化提供了一種途徑，并為分析輸入端相位干擾所造成的輸出端相位變化提供了模板。注意，壓控振蕩器(VCO)作為一個(gè)頻率源，表現(xiàn)為理想的相位積分器，因而其增益(KV)系數(shù)為1/s（對積分進(jìn)行等效拉普拉斯變換）。因此，PLL的小信號模型是復(fù)頻率s的函數(shù)（s = σ + jω）。

圖2. PLL小信號模型

PLL的閉環(huán)傳遞函數(shù)(HCL)定義為：θOUT/θIN。開環(huán)傳遞函數(shù)(HOL)定義為：θFB/θIN，與閉環(huán)傳遞函數(shù)相關(guān)。建議以HOL 來表示HCL，因?yàn)殚_環(huán)傳遞函數(shù)包含閉環(huán)穩(wěn)定性的線索：

K 表示鑒頻鑒相器(PFD)、電荷泵和VCO的組合增益——也就是說，K = KDKV，其中KD 表示電荷泵電流，單位為A；KV 表示VCO增益，單位為Hz/V。HOL、HCL 和HLF 均為s 的函數(shù)。等式4 中的負(fù)號表示圖2 中求和節(jié)點(diǎn)的負(fù)反饋導(dǎo)致相位反轉(zhuǎn)。根據(jù)等式4 定義的HOL導(dǎo)致等式5 中分母的減法運(yùn)算，直觀地解釋了閉環(huán)穩(wěn)定性。

檢查等式5，可以發(fā)現(xiàn)潛在的環(huán)路穩(wěn)定性問題。由于HOL 是復(fù)數(shù)頻率s = σ + jω的函數(shù)，它必然具有取決于頻率的幅度和相位分量。因此，對于任意的s 值，如果HOL 同時(shí)表現(xiàn)出單位增益和零點(diǎn)相移特性（或2π 弧度的整數(shù)倍），則HCL 分母為零，閉環(huán)增益再次變?yōu)槲炊x，系統(tǒng)變得極不穩(wěn)定。這意味著穩(wěn)定性受依賴于頻率的HOL 幅度和相位特性所控制。事實(shí)上，在使得HOL 為單位幅度的頻率處，HOL 相位必須離開零（或離開2π 任意整數(shù)倍）足夠遠(yuǎn)，才能避免等式5 中的分母為零。

使HOL 為單位幅度處的頻率ω0 非常重要。ω0 處的HOL 相位決定了系統(tǒng)的相位裕量?M。ω0 和?M 都可由HOL 推導(dǎo)得出。

根據(jù)ω0 和?M 定義R0 和C0

0 和C0

使用設(shè)計(jì)參數(shù)ω0 和?M 來確定R0 和C0 值要求表達(dá)式包含這四個(gè)變量，以及其它常數(shù)項(xiàng)。可以從等式4 入手，因?yàn)榈仁? 定義了HOL。這樣便將HLF 加入其中，進(jìn)而通過T1 和T2 加入R0 和C0。由于HOL 具有幅度和相位，因此原則上ω0 和?M 也能加入其中。將等式3 代入等式4，重新排列各項(xiàng)可得等式6；等式6 以T1 和T2 以及常數(shù)K、N 和CP 來表示HOL：

將等式3 代入等式4，重新排列各項(xiàng)可得等式6；等式6 以T1 和T2 以及常數(shù)K、N 和CP 來表示HOL：

在s = jω 時(shí)進(jìn)行評估，可得HOL 頻率響應(yīng)如下：

分母中的(jω)2 項(xiàng)可簡化為–ω2：

HOL 幅度和相位為：

記住，T1 和T2 是R0、C0 和CP 代數(shù)組合的縮寫表達(dá)式。ω = ω0 時(shí)評估等式9，并使|HOL| = 1 即可定義單位增益頻率ω0，表示HOL 為單位幅度時(shí)的頻率。

類似地，ω = ω0 時(shí)評估等式10，并使∠HOL = ?M 即可定義相位裕量?M，表示頻率為ω0（單位增益頻率）時(shí)的HOL 相位。

擴(kuò)展等式11 和等式12 很容易，將等式1 中的T2 和等式2 中的T1 代入即可將R0 和C0 帶入等式。因此，我們順利地將ω0 和?M 與變量R0 和C0 以及常數(shù)K、N 和CP 相關(guān)聯(lián)。

同時(shí)求解我們所得到的等式中的R0 和C0 很困難。MathCad®提供的符號處理器可求解這兩個(gè)聯(lián)立方程，但必須以arctan 代替arccos。進(jìn)行變換后，符號處理器便可求解R0 和C0，得到下列解集（R0A、C0A；R0B、C0B；R0C、C0C；以及R0D、C0D）。有關(guān)對等式12 進(jìn)行變換以便使用arccos 函數(shù)的詳細(xì)信息請參見附錄。

這個(gè)結(jié)果是有問題的，因?yàn)槟繕?biāo)是在給定ω0 和?M 的情況下求解 R0 和C0；而運(yùn)算結(jié)果表明存在四對可能的R0 和C0，而非唯一的R0、C0 對。然而，若進(jìn)一步檢查這四組結(jié)果，便可得出只有一組解。

注意，就PLL 建模而言，上述等式中的所有變量都具有正值，包括cos(?M)；這是因?yàn)椋?M 的范圍限制在0 和π/2 之間。因此，C0A和R0B 顯然是負(fù)數(shù)。由此可知，R0A、C0A 和R0B、C0B 可立即加以排除，因?yàn)樵挡豢赡転樨?fù)，但需進(jìn)一步分析R0C、C0C 和R0D、C0D。

注意，包含R0C、C0C 和R0D、C0D 在內(nèi)的四個(gè)等式有公因數(shù)：

進(jìn)一步分析可知，等式13 的形式為：a2 – (2ac)cos(β) + c 2。以b2表示該式，可得：

等式14 即為余弦定理，以a、b 和c 表示三角形的三條邊長度，β 表示頂點(diǎn)對邊b 的內(nèi)角。由于b2 表示三角形一條邊長度的平方，它必須為正，這也就意味著等式14 的等號右邊也必須為正。因此，等式13 必須為正，意味著R0D 的分母為正。R0D 的分子同樣為正，因此R0D 必須為負(fù)，這便排除了R0D、C0D。這使得僅有R0C、C0C對可作為等式11 和等式12 的解。

R0 和C0 的限制

雖然等式15 和等式16 有可能是等式11 和等式12 的公共解，但它們僅在R0 和C0 均為正時(shí)才有效。仔細(xì)檢查R0 可知其為正——它的分子為正，因?yàn)閏os2(x)范圍為0 到1，且它的分母與等式13相同，由前文可知其為正。C0 分子同樣與等式13 相同，因此只要分母滿足下列條件，C0 就為正：

圖3 以圖形方式表示這種關(guān)系；不等式17 左右兩側(cè)均等于y（藍(lán)色曲線和綠色曲線），水平軸共享ω0 和?M。兩條曲線的交點(diǎn)表示ω0 和?M 的邊界。紅色弧線部分所表示的條件使等式17 成立。紅色弧線下方的水平軸部分決定了C0 為正的?M 和ω0 范圍。注意，藍(lán)色曲線和綠色曲線交點(diǎn)正下方水平軸上的點(diǎn)確定了?M_MAX，即?M 的最大值；該值確保C0 為正。

等式18 要求CPNω02 小于K，才能滿足?M_MAX 的arccos 范圍為0到π/2 的限制條件。這便確定了ω0_MAX，即ω0 的上限，保證C0為正。

圖3. C0 分母的限制條件

補(bǔ)償R2 和C2（三階環(huán)路濾波器）

就三階環(huán)路濾波器而言，R2 和C2 分量產(chǎn)生額外的相移Δ?；該相移與二階環(huán)路濾波器有關(guān)：

為了處理這個(gè)額外的相移，應(yīng)將其從所需的?M 值中扣除。

將?M_NEW 代入等式15 和等式16 可得到不同的R0 和C0，然后針對二階解，將新數(shù)值用來補(bǔ)償R2 和C2 引入的額外相移。R2 和C2 的存在還會影響?M_MAX，即?M 的最大允許值。?M 新的最大值(?M_MAX_NEW)為：

結(jié)論

本文演示了僅有R0 和C0 元件值可調(diào)節(jié)時(shí)，如何使用開環(huán)單位增益帶寬(ω0)和相位裕量(?M)作為二階或三階環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)參數(shù)。采用R0 和C0 的二階環(huán)路濾波器仿真PLL，結(jié)果與HOL 以及由此得到的相位裕量理論值完美吻合，從而驗(yàn)證了這些等式。根據(jù)等式19和等式18，參數(shù)ω0和?M 針對二階環(huán)路濾波器分別具有上限值。

確定R0 和C0 的過程中對二階環(huán)路濾波器進(jìn)行了假設(shè)，但通過將所需的相位裕量(?M)根據(jù)等式21 調(diào)節(jié)為新的值(?M_NEW)便可擴(kuò)展應(yīng)用到三階環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)中，進(jìn)而根據(jù)等式22 得到一個(gè)新的上限值(?M_MAX_NEW)。

雖然使用二階環(huán)路濾波器進(jìn)行仿真可驗(yàn)證等式15 和等式16，但若要驗(yàn)證將設(shè)計(jì)過程擴(kuò)展至三階環(huán)路濾波器的等式則需對環(huán)路濾波器響應(yīng)HLF(s)進(jìn)行重新定義，使其包含R2 和C2，如下所示：

將HLF 的這種形式應(yīng)用到HOL 和HCL 等式，便可使用R0 和C0 仿真三階環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)。對其進(jìn)行仿真可知，當(dāng)使用三階環(huán)路濾波器時(shí)，由理論頻率響應(yīng)和相位裕量推導(dǎo)而得的R0 和C0 計(jì)算值與PLL 的HOL 有關(guān)。這主要是因?yàn)槭艿搅巳A環(huán)路濾波器中HOL的R2 和C2 影響。

如前所述，R0 和C0 等式假定為使用二階環(huán)路濾波器，但在二階濾波器中不存在R2 和C2，因此雖然通過調(diào)節(jié)R0 和C0 可以補(bǔ)償R2和C2 造成的相移，但是將它們看做二階環(huán)路濾波器的一部分還是會構(gòu)成一個(gè)誤差源。然而，哪怕存在這樣的誤差，仿真結(jié)果也表明，使用經(jīng)過調(diào)節(jié)的R0 和C0 值，但將ω0 限制在最高為等式19推導(dǎo)結(jié)果的¼也能獲得令人滿意的結(jié)果。事實(shí)上，仿真開環(huán)帶寬和相位裕量的結(jié)果表明，使用三階環(huán)路濾波器的PLL，其與設(shè)計(jì)參數(shù)（ω0 和?M）的偏差很小。

仿真結(jié)果

以下為針對三階環(huán)路濾波器PLL 運(yùn)行四次仿真的結(jié)果。所有仿真均采用下列固定環(huán)路濾波器元件和PLL 參數(shù)：

CP = 1.5 nF

R2 = 165 kΩ

C2 = 337 pF

KD = 30 µA

KV = 3072 (25 ppm/V at 122.88 MHz)

N = 100

仿真1 和仿真2 使用ω0 = 100 Hz，該值接近124.8 Hz 的計(jì)算上限值(ω0_MAX)。因此，仿真1 和仿真2 偏離設(shè)計(jì)參數(shù)值（ω0 和?M）約10%。另一方面，仿真3 和仿真4 使用ω0 = 35 Hz，約為上限值的¼。與預(yù)期相一致，仿真3 和仿真4 非常接近設(shè)計(jì)參數(shù)（ω0和?M），誤差僅為1%左右。

表1 匯總了仿真結(jié)果，并囊括了給定設(shè)計(jì)參數(shù)ω0 和?M 的R0、C0、ω0_MAX 和?M_MAX 計(jì)算值。注意，為了方便進(jìn)行對比，建議仿真1和仿真3 都使用?M = 80°，但仿真1 必須滿足等式22 的限制條件，即?M

表1：仿真結(jié)果匯總