锁相环相位噪声与环路带宽的关系分析
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2020-07-28
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锁相环相位噪声与环路带宽的关系分析锁相环相位噪声与环路带宽的关系分析
应用电荷泵锁相环系统的等效噪声模型,分析电荷泵锁相环相位噪声在不同频率段的功率谱密度。据此得到相位
噪声的功率谱密度与频率关系的模拟曲线。分析与模拟的结论指出环路噪声具有低通特性,而VCO噪声在低频区
衰减明显,在设计锁相环路时需要综合考虑环路和VCO两种噪声的影响,然后才能确定环路带宽。该结论对于电荷
泵锁相环的相位噪声与环路带宽设计具有一定的参考意义。
0 引 言
电荷泵锁相环是闭环系统，系统各个部分都是一个噪声源，各部分噪声的大小不仅与电路本身有关，而且还与环路带宽等因素
有关。因此，设计时必须分析其各频率范围内噪声源影响力的大小，权衡确定环路带宽与各噪声源的相互制约关系。以下利用
锁相环的等效噪声模型，重点分析电荷泵锁相环系统的相位噪声特性，得出系统噪声特性的分布特点以及与环路带宽的关系。
1 电荷泵锁相环的基本原理
图1为电荷泵锁相环的示意图，主要由鉴相鉴频器(PFD)、电荷泵、滤波器、压控振荡器(VCO)、分频器等5部分组成，鉴相鉴
频器主要用来检测输入信号x(t)与反馈信号xf(t)的频率、相位误差，并产生UP，DOWN信号控制电荷泵的开关。电荷泵由两个
对称的电流源和开关组成。电荷泵的开关会对滤波器上的电容充放电，电流经过滤波器滤波后滤掉高频信号，在滤波器上产生
能调整压控振荡器频率和相位的电压v(t)。当v(t)上的电压被调整为一个合适的电压值时，xi(t)的频率和相位与x(t)的一致，系统
最终处于平衡状态，从而实现对输入信号的跟踪。
2 电荷泵锁相环的噪声模型与相位噪声特性分析
电荷泵锁相环的环路等效噪声模型可以用锁相环各子模块附加噪声源表示。图2给出了带有无源滤波器锁相环噪声源模的型。
设fm为距离调制频率的偏移量，该图中主分频器、参考时钟分频器的均方噪声功率谱密度分别被表示为ψd(fm)和ψrcf(fm)；鉴
相鉴频器的相位噪声被表示为ψpd(fm)；晶体振荡器的相位噪声被表示为ψx(fm)；相位噪声源的单位是电荷泵的噪声被等价为
电流源inp(fm)(单位： )；
滤波器的噪声被等价为电压源Vnf(fm)(单位：
的自由振荡噪声被表示为
环路输出信号的均方噪声功率谱密度被表示为它是闭环情况下所有噪声源影响的总和。输出相位噪声功率谱密度可以表示为：
式中：ψolp2(fm)为具有低通传输函数的噪声源功率谱密度；ψohp2(fm)为具有高通传输函数的噪声源功率谱密度。
在图2所示的噪声源等效模型中，ψd(fm)，ψref(fm)，ψpd(fm)，ψx(fm)和inp(fm)具有低通传输特性，其传输函数可以表示为：
式中：G(s)和H(s)分别为环路的开环增益函数和闭环增益函数。归一化的电荷泵相位噪声inp(fm)／Kpd和晶体振荡器噪声
ψx(fm)／R对 ψolp(fm)的影响也可以用式(2)来表示。当用j2πfm代替s时，ψo2(fm)中具有低通传输函数噪声源功率谱密度的噪
声分量ψolp2 (fm)可以表示为：
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