基于压控振荡器（VCO）的高性能锁相环（PLL）设计

简介
“锁相环”(PLL)是现代通信系统的基本构建模块。PLL通常用在无线电接收机或发射机中，主要提供“本振”(LO)功能；也可用于时钟信号分配和降噪，而且越来越多地用作高采样速率模数(A/D)转换的时钟源。

随着集成电路加工中功能器件的尺寸缩小，器件电源电压也呈下降趋势，包括PLL和其它混合信号功能所用的电源。然而，PLL的关键元件——“压控振荡器”(VCO)的实用技术要求并未随之大幅降低。许多高性能VCO设计仍然采用分立电路来实施，可能要求高达30 V的电源电压。这就给当今的PLL或RF系统设计师提出了挑战：低压PLL IC如何与高压VCO实现接口。电平转换接口通常利用有源滤波电路来实施，这将在下文讨论。本文将分析说明PLL的基本原理，考察采用高压VCO的PLL设计的当前技术水平，讨论典型架构的利弊，并介绍高压VCO的一些替代方案。

PLL基本原理
锁相环（图1）是一个反馈系统，其中相位比较器或鉴相器驱动反馈环路中的VCO，使振荡器频率（或相位）精确跟踪所施加的参考频率。通常需要用滤波电路，对正/负误差信号求积分并使之平坦，以及提高环路稳定性。反馈路径中常包含分频器，使输出频率（VCO的范围内）为参考频率的倍数。分频器的频率倍数N可以是整数，也可以是小数，PLL相应地称为“整数N分频PLL”或“小数N分频PLL”。

图1. 基本锁相环

PLL是负反馈控制环路，因此达到均衡时，频率误差信号必须为零，以便在VCO输出端产生精确且稳定的频率N × FREF。

PLL有多种实施方法，根据所需频率范围、噪声和杂散性能以及物理尺寸，可以采用全数字式、全模拟式或混合电路。目前，高频（或RF）PLL的常用架构既含有全数字式模块，如反馈分频器和鉴相器等，也含有高精度模拟电路，如电荷泵和VCO等。混合信号PLL的主要特点包括：

1. 参考频率：稳定、精确的基准频率，RF输出将锁相于该频率；通常源于晶振或温度控制晶体振荡器(TCXO)。
2. 鉴频鉴相器(PFD)：从参考信号和反馈信号中产生相位误差信号。
3. 电荷泵：将误差信号转换为与相位误差成比例的正/负电流脉冲串。
4. 环路滤波器：对来自电荷泵的电流脉冲求积分，向VCO调谐端口提供干净的电压。
5. VCO：根据调谐端口上的电压(Vtune)，输出一个频率。VCO具有增益KV，用MHz/V表示。VCO输出频率与输入控制电压的基本关系表达式为fo = fc + Kv (Vtune)，其中fc为VCO偏移频率。
6. N分频器：将输出频率倍除为PFD或参考频率。可以简单地采用整数倍除，也可以采用小数倍除（小数N分频器），采用后者的越来越多。小数分频器的实施很简单，只需切换整数分频器的除数便可获得小数平均值（例如，要获得平均值4.25，可以计数到4三次并计数到5一次；这样就计数了17个脉冲，并生成了4个脉冲，因此频率比为17/4 = 4.25）。实践中，借助高分辨率噪声整形转换器所用的技术可以实现更好的效果。因此，小数方法通常采用Σ-Δ结构实施，它具有杂散频率少的优势。

图2显示了当前器件的高度集成电路示例，这是集成VCO的小数N分频PLL IC ADF4350宽带频率合成器的框图，其输出频率范围为137.5 MHz至4400 MHz。（集成VCO的宽带宽PLL部分简要描述了其功能。）

图2. ADF4350 PLL频率合成器框图

限制PLL性能的主要特性有相位噪声、杂散频率和锁定时间。

相位噪声：相当于时域中的抖动，相位噪声是振荡器或PLL噪声在频域中的表现。它是PLL中各器件所贡献噪声的均方根和。基于电荷泵的PLL可以抑制环路滤波器带宽内的VCO噪声。在环路带宽之外，VCO噪声占主导地位。

杂散：杂散频率由电荷泵定期更新VCO调谐电压而引起，并以与载波相差PFD频率的偏移频率出现。在小数N分频PLL中，小数分频器操作也会引起杂散。

锁定时间：从一个频率变为另一个频率或响应瞬时偏移时，PLL的相位或频率返回锁定范围所需的时间。它以频率或相位建立性能来确定，其作为特性的重要程度视应用而定。

为什么VCO仍然用高压？
高性能VCO是最后几种不为硅集成潮流所动的电子器件之一。仅几年前，手机所用的VCO才完全集成到手机无线电芯片组中。但是，在蜂窝基站、微波点对点系统、军用和航空航天产品以及其它高性能应用中，基于硅的VCO则能力有限，仍然需要采用分立方式来实施VCO。原因如下：

大多数商用分立VCO采用容值可变的变容二极管，作为LC振荡电路的可调谐元件。改变二极管的电压会改变其电容，从而改变振荡电路的谐振频率。

变容二极管的任何电压噪声都会被VCO增益KV（用MHz/V表示）放大，并转换为相位噪声。要使VCO相位噪声保持最小