CN103166632B - 环路滤波器和锁相环电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种环路滤波器和锁相环电路。其中，环路滤波器包括第一电阻、第三电阻、第一电容、第二电容和第三电容；所述第三电容的第一端接该环路滤波器的输入端，第二端接地；所述第三电阻的第一端接该环路滤波器的输入端，第二端接该环路滤波器的输出端；所述第二电容的第一端接该环路滤波器的输出端，第二端接地；所述第一电阻的第一端接该环路滤波器的输出端，第二端接所述第一电容的第一端，所述第一电容的第二端接地。本发明的环路滤波器应用在锁相环中时，能够有效抑制电阻的热噪声对锁相环相位噪声的贡献，并且不会改变锁相环的稳定性以及动态特性。

Description

环路滤波器和锁相环电路

技术领域

本发明涉及电子领域，尤其涉及一种环路滤波器和锁相环电路。

背景技术

PLL(Phase-Locked Loop，锁相环)是一种将输出相位与参考相位相比较，从而得到稳定的输出相位或者输出频率的系统。PLL被广泛应用于电子学和通信领域中。

现代通信系统中广泛采用电荷泵锁相环。图1为现有技术中电荷泵锁相环的结构框图。如图1所示，现有技术中的电荷泵锁相环包括顺次串联的鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器和分频器，其中，鉴频鉴相器接电荷泵锁相环的输入端，压控振荡器接电荷泵锁相环的输出端，分频器将电荷泵锁相环的输出频率分频后输入鉴频鉴相器形成环路。锁相环的输出频率可以表示为f_out＝N·f_ref，其中N为分频器的分频比，f_ref为鉴频鉴相器的输入参考频率。图1中，f_back为分频器将电荷泵锁相环的输出频率进行分频后所得到的反馈频率，该反馈频率f_back输入鉴频鉴相器。

由图1可见，环路滤波器置于电荷泵和压控振荡器之间，它用于将电荷泵的输出电流转换为压控振荡器的调谐电压，从而控制压控振荡器的输出频率。环路滤波器对锁相环的稳定性、动态特性以及噪声性能都有很大影响。

应用于锁相环中的环路滤波器主要有两种类型：一种是无源环路滤波器，无源环路滤波器一般由无源元件电阻和电容构成；另一种是有源环路滤波器，除无源器件之外，有源环路滤波器一般还包含运算放大器。

无源环路滤波器通常是由电阻和电容构成，具有电路结构简单、无功耗以及无有源噪声的优点，但其缺点是占用芯片面积过大(一般来说电容会占据很大的面积)，而且由于工艺原因无源环路滤波器零极点的位置容易产生偏差。为了减小芯片面积，一些设计中将环路滤波器置于片外。

有源环路滤波器的典型特征是电路中含有一个或者多个运算放大器，其优点是零极点的位置可以灵活设置而且其输出的调谐电压范围不受电荷泵的限制。有源环路滤波器缺点在于会产生额外的功耗。另外，运算放大器不仅会引入额外的有源噪声，而且使得环路滤波器的输入输出传递函数变得更加复杂。

一般来说，无源环路滤波器的应用更加广泛，尤其是对相位噪声有严格要求的无线通信系统。环路滤波器的阶数通常是两阶或者三阶，阶数根据实际需要选取。图2为现有技术中三阶无源环路滤波器的电路结构图。如图2所示，现有技术中，三阶无源环路滤波器包括电阻R₁、电阻R₃、电容C₁、电容C₂和电容C₃。其中，电阻R₁的第一端接环路滤波器的输入端I_cp(即电流输入端)，第二端接电容C₁的第一端，电容C₁的第二端接地；电容C₂的第一端接环路滤波器的输入端I_cp，第二端接地；电阻R₃的第一端接环路滤波器的输入端I_cp，第二端接环路滤波器的输出端V_c；电容C₃的第一端接环路滤波器的输出端V_c，第二端接地。图2所示的三阶无源环路滤波器电路中，当电阻R₃的阻值过大时，电阻R₃产生的噪声通过调制压控振荡器的电压控制端，从而直接转换为相位噪声。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种环路滤波器和锁相环电路，抑制电阻热噪声对锁相环相位噪声的贡献。

为解决上述技术问题,本发明提出了一种环路滤波器,包括第一电阻、第三电阻、第一电容、第二电容和第三电容；所述第三电容的第一端接该环路滤波器的输入端，第二端接地；所述第三电阻的第一端接该环路滤波器的输入端，第二端接该环路滤波器的输出端；所述第二电容的第一端接该环路滤波器的输出端，第二端接地；所述第一电阻的第一端接该环路滤波器的输出端，第二端接所述第一电容的第一端，所述第一电容的第二端接地。

进一步地，上述环路滤波器还可具有以下特点，所述第二电容的电容值大于所述第三电容的电容值。

为解决上述技术问题,本发明还提出了一种锁相环电路，包括顺次串联的鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器和分频器，其中，所述鉴频鉴相器接所述锁相环电路的输入端，所述压控振荡器接所述锁相环电路输出端，所述分频器将所述锁相环电路的输出频率分频后输入鉴频鉴相器形成环路，所述环路滤波器包括第一电阻、第三电阻、第一电容、第二电容和第三电容；所述第三电容的第一端接该环路滤波器的输入端，第二端接地；所述第三电阻的第一端接该环路滤波器的输入端，第二端接该环路滤波器的输出端；所述第二电容的第一端接该环路滤波器的输出端，第二端接地；所述第一电阻的第一端接该环路滤波器的输出端，第二端接所述第一电容的第一端，所述第一电容的第二端接地。

进一步地，上述锁相环电路还可具有以下特点，所述环路滤波器的第二电容的电容值大于所述第三电容的电容值。

本发明的环路滤波器应用在锁相环中时，能够有效抑制电阻的热噪声对锁相环相位噪声的贡献，并且不会改变锁相环的稳定性以及动态特性。本发明的锁相环电路中，环路滤波器能够有效抑制电阻的热噪声对锁相环相位噪声的贡献，并且不会改变锁相环的稳定性以及动态特性，因此，本发明的锁相环电路具有较低的相位噪声。

附图说明

图1为现有技术中电荷泵锁相环的结构框图；

图2为现有技术中三阶无源环路滤波器的电路结构图；

图3为本发明实施例中三阶无源环路滤波器的电路结构图；

图4为压控振荡器的压控端对地的等效电路示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

图3为本发明实施例中三阶无源环路滤波器的电路结构图。如图3所示，本实施例中，三阶无源环路滤波器也包括电阻R₁、电阻R₃、电容C₁、电容C₂和电容C₃。其中，电容C₃的第一端接该环路滤波器的输入端I_cp，第二端接地；电阻R₃的第一端接该环路滤波器的输入端I_cp，第二端接该环路滤波器的输出端V_c；电容C₂的第一端接该环路滤波器的输出端V_c，第二端接地；电阻R₁的第一端接该环路滤波器的输出端V_c，第二端接电容C₁的第一端，电容C₁的第二端接地。

下面首先对图3所示的三阶无源环路滤波器电路和图2所示的三阶无源环路滤波器电路的传输函数进行推导。

图2所示的现有技术中的三阶无源环路滤波器电路的传输函数推导如下：

图3所示的三阶无源环路滤波器电路的传输函数推导如下：

通过上述推导可见，图3所示的三阶无源环路滤波器电路和图2所示的三阶无源环路滤波器电路具有相同的传输函数。也就是说，图3所示的三阶无源环路滤波器电路应用于锁相环中时，相比于图2所示的现有技术中的三阶无源环路滤波器电路，环路的稳定性以及动态特性不会改变。

下面再对图3所示的三阶无源环路滤波器电路和图2所示的三阶无源环路滤波器电路的噪声传递函数进行推导。

图2所示的现有技术中的三阶无源环路滤波器电路中，电阻R₃的噪声传递函数推导如下：

图3所示的三阶无源环路滤波器电路中，电阻R₃的噪声传递函数推导如下：

除此之外，在锁相环的三阶环路滤波器设计中，通常图3中电容C₂的电容值大于电容C₃的电容值,这是设计中的通常取值。通过上述推导可见，图3所示的三阶无源环路滤波器电路中，电阻R₃的噪声对锁相环相位噪声的贡献小于图2所示的三阶无源环路滤波器电路中电阻R₃的噪声对锁相环相位噪声的贡献。

图4为压控振荡器的压控端对地的等效电路示意图。图4中，Vdd为电源。如图4所示，压控振荡器压控端对地存在等效电容C_eq，若该等效电容C_eq与环路滤波器的最后一级电容大小相当，该等效电容C_eq与环路滤波器的最后一级电容并联会改变环路特性。通常电容C₂的电容值大于电容C₃的电容值，因此，本发明的环路滤波器(如图3所示)中，将电容C₂放置在压控振荡器的调谐电压输入端可以降低压控振荡器的压控端等效电容C_eq对环路滤波器的影响。

由上可见，本发明的环路滤波器应用在锁相环中时，能够有效抑制电阻的热噪声对锁相环相位噪声的贡献，并且不会改变锁相环的稳定性以及动态特性。

本发明还提出了一种锁相环电路。该锁相环电路包括顺次串联的鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器和分频器，其中，鉴频鉴相器接锁相环电路的输入端，压控振荡器接锁相环电路的输出端，分频器将锁相环电路的输出频率分频后输入鉴频鉴相器形成环路。其中，环路滤波器包括第一电阻、第三电阻、第一电容、第二电容和第三电容；第三电容的第一端接该环路滤波器的输入端，第二端接地；第三电阻的第一端接该环路滤波器的输入端，第二端接该环路滤波器的输出端；第二电容的第一端接该环路滤波器的输出端，第二端接地；第一电阻的第一端接该环路滤波器的输出端，第二端接第一电容的第一端，第一电容的第二端接地。进一步地，环路滤波器的第二电容的电容值大于第三电容的电容值。

本发明的锁相环电路中，环路滤波器能够有效抑制电阻的热噪声对锁相环相位噪声的贡献，并且不会改变锁相环的稳定性以及动态特性，因此，本发明的锁相环电路具有较低的相位噪声。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种环路滤波器,其特征在于,包括第一电阻、第三电阻、第一电容、第二电容和第三电容；所述第三电容的第一端接该环路滤波器的输入端，第二端接地；所述第三电阻的第一端接该环路滤波器的输入端，第二端接该环路滤波器的输出端；所述第二电容的第一端接该环路滤波器的输出端，第二端接地；所述第一电阻的第一端接该环路滤波器的输出端，第二端接所述第一电容的第一端，所述第一电容的第二端接地；

第三电阻R₃的噪声传递函数推导如下：

$Z_{R3\_1}=\frac{1}{{\mathrm{sC}}_3}$

$Z_{R3\_2}=R_3+\frac{(R_1+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_1})\·\frac{1}{{\mathrm{sC}}_2}}{R_1+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_1}+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_2}}$

$Z_{R3\_3}=\frac{(R_1+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_1})\·\frac{1}{{\mathrm{sC}}_2}}{R_1+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_1}+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_2}}$

$\begin{array}{c}{V}_{noise\_R_3}=\frac{Z_{R3\_2}}{Z_{R3\_1}+Z_{R3\_2}}\·\frac{Z_{R3\_3}}{Z_{R3\_2}}\·V_{n\_R3}\\ =\frac{R_3+\frac{(R_1+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_1})\·\frac{1}{{\mathrm{sC}}_2}}{R_1+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_1}+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_2}}}{\frac{1}{{\mathrm{sC}}_3}+R_3+\frac{(R_1+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_1})\·\frac{1}{{\mathrm{sC}}_2}}{R_1+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_1}+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_2}}}\·\frac{\frac{(R_1+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_1})\·\frac{1}{{\mathrm{sC}}_2}}{R_1+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_1}+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_2}}}{R_3+\frac{(R_1+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_1})\·\frac{1}{{\mathrm{sC}}_2}}{R_1+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_1}+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_2}}}\·V_{n\_R3}\\ =\frac{(R_1+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_1})\left|\right|\frac{1}{{\mathrm{sC}}_2}}{\frac{1}{{\mathrm{sC}}_3}+R_3+\frac{(R_1+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_1})\·\frac{1}{{\mathrm{sC}}_2}}{R_1+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_1}+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_2}}}\·V_{n\_R3}\end{array}$

所述第二电容C₂的电容值大于所述第三电容C₃的电容值。

2.一种锁相环电路，包括顺次串联的鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器和分频器，其中，所述鉴频鉴相器接所述锁相环电路的输入端，所述压控振荡器接所述锁相环电路输出端，所述分频器将所述锁相环电路的输出频率分频后输入鉴频鉴相器形成环路，其特征在于，所述环路滤波器包括第一电阻、第三电阻、第一电容、第二电容和第三电容；所述第三电容的第一端接该环路滤波器的输入端，第二端接地；所述第三电阻的第一端接该环路滤波器的输入端，第二端接该环路滤波器的输出端；所述第二电容的第一端接该环路滤波器的输出端，第二端接地；所述第一电阻的第一端接该环路滤波器的输出端，第二端接所述第一电容的第一端，所述第一电容的第二端接地；

第三电阻R₃的噪声传递函数推导如下：

$Z_{R3\_1}=\frac{1}{{\mathrm{sC}}_3}$

$Z_{R3\_2}=R_3+\frac{(R_1+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_1})\·\frac{1}{{\mathrm{sC}}_2}}{R_1+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_1}+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_2}}$

$Z_{R3\_3}=\frac{(R_1+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_1})\·\frac{1}{{\mathrm{sC}}_2}}{R_1+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_1}+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_2}}$

$\begin{array}{c}{V}_{noise\_R_3}=\frac{Z_{R3\_2}}{Z_{R3\_1}+Z_{R3\_2}}\·\frac{Z_{R3\_3}}{Z_{R3\_2}}\·V_{n\_R3}\\ =\frac{R_3+\frac{(R_1+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_1})\·\frac{1}{{\mathrm{sC}}_2}}{R_1+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_1}+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_2}}}{\frac{1}{{\mathrm{sC}}_3}+R_3+\frac{(R_1+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_1})\·\frac{1}{{\mathrm{sC}}_2}}{R_1+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_1}+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_2}}}\·\frac{\frac{(R_1+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_1})\·\frac{1}{{\mathrm{sC}}_2}}{R_1+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_1}+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_2}}}{R_3+\frac{(R_1+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_1})\·\frac{1}{{\mathrm{sC}}_2}}{R_1+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_1}+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_2}}}\·V_{n\_R3}\\ =\frac{(R_1+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_1})\left|\right|\frac{1}{{\mathrm{sC}}_2}}{\frac{1}{{\mathrm{sC}}_3}+R_3+\frac{(R_1+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_1})\·\frac{1}{{\mathrm{sC}}_2}}{R_1+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_1}+\frac{1}{{\mathrm{sC}}_2}}}\·V_{n\_R3}\end{array}$

所述第二电容C₂的电容值大于所述第三电容C₃的电容值。