基于压控振荡器（VCO）的高性能锁相环（PLL）设计

例如，颇受欢迎的OP27采用±15 V电源时，IVR为±12.3 V。这意味着，输入电压至少需要与正负供电轨相差±2.7 V。对于单电源供电、宽输入摆幅应用，范围低端的这种限制将使该放大器缺乏吸引力。如果使用双电源设计方案，则运算放大器的选择范围广得多（而且可轻松解决输入偏置问题）。如果必须采用单电源设计，请使用具有轨到轨输入摆幅的运算放大器（但其中许多放大器可能具有较高的噪声电压特性）。因此，为获得最佳效果，运算放大器需要具有低噪声电压密度、低输入偏置电流和轨到轨输入，以便实现低相位噪声、低杂散和单电源供电。表1列出了ADI公司的一些运算放大器及其上述设计标准的相关特性。

表1. 建议在PLL有源环路滤波器中使用的运算放大器

运算放大器的选择取决于应用。如果PFD杂散远离环路带宽（例如在小数N分频频率合成器中），则可以选用双极性结型晶体管输入(BJT)运算放大器，如OP184或OP27等。环路滤波器将会很好地衰减BJT的高输入偏置电流所引起的PFD杂散，而且PLL可以充分利用BJT运算放大器的低噪声电压密度特性。

如果应用要求较小的PFD与环路带宽比（例如在整数N分频频率合成器中），则应折衷考虑噪声与杂散水平；AD820和AD8661可能是较佳选择。

值得注意的是，虽然有源滤波器往往会增加PLL的噪声，但它能够充当缓冲器，在一些特定应用中具有无源滤波器所不及的性能优势。例如，如果VCO调谐端口的泄漏电流较高，导致PFD杂散较高，则可以使用运算放大器来降低杂散水平。运算放大器的低阻抗输出可轻松弥补调谐端口泄漏电流。

设计示例
考虑这样一个例子，其中LO的规格要求如下：

• 倍频程调谐范围：1000 MHz至2000 MHz
• 相位噪声要求：–142 dBc/Hz（1 MHz偏移）
• 杂散：小于–70 dBc
• 通道间隔：250 kHz
• 锁定时间：小于2 ms
• 单电源：15 V或30 V

为在1-GHz频带上工作，同时满足相位噪声要求，有必要使用高压VCO和有源环路滤波器。相位噪声和杂散特性以及单电源限制，将决定运算放大器的选择。为了达到杂散要求，运算放大器必须具有低输入偏置电流，而为了实现最佳相位噪声性能，运算放大器必须具有低电压噪声。选择JFET输入运算放大器可以兼顾以上两个要求，例如AD8661，其输入偏置电流为0.3 pA，电压噪声为12 nV/√Hz。该器件还能处理单电源要求。选择RFMD UMS-2000-A16 VCO来满足倍频程范围要求。

开始设计时，最好利用支持有源滤波器拓扑结构的ADIsimPLLTM工具进行仿真。图3所示为两种推荐的滤波器类型；ADIsimPLL还支持其它配置。

PLL选择ADF4150，它具有整数和小数两种工作模式，提供2/4/8/16/32几种输出分频器选项，可覆盖从2 GHz至31.25 MHz的连续频率。ADF4150与图2所示的ADF4350相似，但前者允许选择外部VCO，适合需要满足更严苛相位噪声要求的应用。在仿真过程中，PLL环路滤波器设置为20 kHz，以期减小运算放大器的噪声贡献，同时使PLL锁定时间小于2 ms。

图4所示为采用以下器件的仿真系统与测量系统噪声(dBc)与频率偏移关系曲线：ADF4150 PLL、UMS VCO和基于AD8661的滤波器。两条曲线均显示，由于有源环路滤波器增加的噪声，约20 kHz时出现峰值噪声–90 dBc，不过仍然实现了1 MHz偏移时–142 dBc/Hz的目标。若要降低带内噪声，可以使用OP184或OP27等噪声更低的运算放大器，但杂散会提高；或者将PLL环路带宽降至20 kHz以下。

图4. ADIsimPLL仿真性能与测量性能对比：AD8661用作PLL有源滤波器中的运算放大器

图5显示，使用OP27时性能约改善6 dB。这种情况下，因为环路带宽相对较窄，所以杂散并未显著增加。进一步降低带宽可以改善100 kHz以下偏移的相位噪声，但PLL锁定时间会延长。所有这些权衡考虑均可以在进入实验室设计之前，利用ADIsimPLL模拟进行测试。

图5. 有源环路滤波器中使用AD8661与使用OP27的PLL测量性能对比

爆炸新闻：高压PLL
以上讨论都围绕利用有源滤波器实现低压PLL器件与高压VCO接口而展开。不过，高压PLL已经出现，因而使用有源滤波器的必要性大大降低。例如ADF4113HV PLL，它集成高压电荷泵，归一化相位本底噪声为–212 dBc/Hz。对于该器件，PLL电荷泵输出可以高达15 V，因此VCO之前可以使用更为简单的无源滤波器。 该高压PLL系列产品将会不断扩充，不久将会出现最大电压为30 V的器件，以及具有高压电荷泵的小数N分频PLL。有关产品更新和新产品信息，请访问PLL网站。