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，是鎖相環(huán)設(shè)計的核心部分之一，通過設(shè)置合適的環(huán)路帶寬和相位裕度，實現(xiàn)整個系統(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；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，只需要幾個電阻和電容就可以輕易的搭出來。

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

缺點：對于調(diào)諧電壓較高的電路，無源環(huán)路無法提供增益。導致設(shè)計過程中會出現(xiàn)系統(tǒng)無法鎖定的情況，此時需要通過有源環(huán)路來實現(xiàn)增益補償，達到我們的設(shè)計要求。

注意：濾波器階數(shù)增加濾波器的過渡帶將變窄，對應(yīng)頻譜圖中的譜線將會更加陡峭，濾波器的性能也更加接近理想濾波器。增加階數(shù)可能會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定，所以在設(shè)計時一般采用三階或四階環(huán)路濾波器進行設(shè)計，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：濾波的同時能放大信號的功率。

缺點：相對而言體積更大，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，也會產(chǎn)生噪聲，設(shè)計過程中其電阻R1盡量取較小值，可以適當減少運算放大器的影響。所以設(shè)計有源環(huán)路濾波器的時需采用低噪聲的有源運放。

一階有源

四階無源有源電路圖

環(huán)路設(shè)計指標

主要關(guān)注環(huán)路帶寬和相位裕度兩個指標。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)的鎖定時間越短，但是雜散抑制性能會變差；相位裕度越小，鎖定時間越短，但是會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定；環(huán)路帶寬對于鎖相環(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折中選取一個合適的環(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)計中通常要求相位余量在至之間。

在鎖相環(huán)的實際設(shè)計中，環(huán)路濾波器的參數(shù)計算可以借助計算機輔助設(shè)計軟件來完成，如ADIsimPLL仿真軟件或PLLatinum Sim。

PLLatinum Sim來配置我們的環(huán)路濾波器：軟件會根據(jù)用戶設(shè)定的環(huán)路帶寬自動設(shè)置環(huán)路濾波器值。在本設(shè)計中，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，軟件自動計算出一組參數(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°。

當然仿真計算出來的環(huán)路參數(shù)只是參考，板子做出來之后，還需要根據(jù)實際情況對環(huán)路濾波器參數(shù)進行微調(diào)。

鎖相環(huán)本身相當于一個可移動的窄帶濾波器。還需要注意，鎖相環(huán)內(nèi)不允許再加窄帶濾波器，當反饋信號通過時，必定會產(chǎn)生相移，使得環(huán)路相位裕度不夠，最終導致環(huán)路產(chǎn)生自激。