实例介绍
【实例简介】
PLL_锁相环的ADS_仿真、详细实例讲解如何用ADS进行锁相环的仿真与设计
电子民工 锁相环基础 在通信系统中产生可变的本振信号〔)的方法有以下几种:倍频混频、直接数字频 率合成()和锳相环技术()。其中倍频混频方法杂散较大,谐波难以抑制: 器作工作频率较低且功耗较大,而技术相对来说具有应用方便灵活与频率范围宽等优 点,是现阶段主流的频率合成技术。 目前生产芯片的知名厂商有:模拟器件公司()、美国国家半导体公司() 德州仪器()等。他们的代表型号分别有 基本工作原理 锁相环包括凹个基本模块:压控振荡器()、鉴相器()、分频器()和环路 滤波器(),如下图 鉴相器 低通滤波器 压控振荡器 fou PD LPF VCO f 分频器 Div 图锁相环基木框图 压控振荡器():产生射频信号。其输出频率受到控制电压的影响,大多数的输 出频率随控制电压高而升高,即具有止斜率; 分频器() 对的输出频牽进行分频,使频率降下来以便于处理; 鉴相器(): 对输入的参考频率〔相位)和分频后的进行比较,根据频率(相 位)之差产生对应的输出电压; 低通滤波器():对鉴相器输出的电压进行滤波,为提供干净的控制电压,同时 为系统提供·定的稳定裕量,该低通滤波器也称为环路滤波器。 是一个频率相位的自动控制系统:假如偏离期望的频率,则会与产生一定 的频差,此时鉴相器会根据该频差输出对应的控制电压去迫使同到期望的频率;当变 化时,鉴相器的两个输入频率会产生一定的频差,接着鉴相器输出电压会随频差的大小而改 变,迫使变化到刈应的频率,以保证与相等。也就是说,我们可以通过改变使 变化到我们希望的频率,同时还能够自动跟踪的变化,这个特点使能够用作频率合 成器和调制解调器。 锁相环性能参数 锁相环系统有以下几个较为重要的技术指标 ()频率准确度:实际输岀频率与标称输出频率之差,一般由分频数与参考源 决定 (2)频率稳定度:在一定时间间隔内,频率的相对变化程度 单位一般为 ()或(),该指标般由参考源决定 (3)频率精度:相邻两个输出频率的最小间隔,对于整数分频,其频率精度等于; 对于小数分频,其频率精度可为任意小: 博客: 电子民工 (4)频率范围:锁相环系统输岀频率的沱围,该指标由频率氾围和锁相环芯片 内的分频器共同决定 (5)换频时间:锁相环系统输出信号从一个频率切换到另一个频率时,其输出从突变 到重新进入稳定状态所用的时间,该指标由系统陧尼系薮和环路带宽 决定; (6)频谱纯度 该指标由输出信号的相位噪声和杂散来衡量,带内相位噪声主要由参 考源、鉴相器和电荷泵决定,带外相位噪声主要由决定 我们使用的锁相环芯片的鉴相器输出通常是基于电荷泵结构的,因此下面均以电荷泵锁 相坯为例进行讲鲜。对于基J电荷泵结枃的锁相环,其锁定或接近锁定时可近似等效为一个 线性的反馈系统,其系统框图如下: 鉴相器 低通滤波器压控振荡器 分频器 图电荷泵锁相环的系统框图 其中()是鉴相器与电荷泵的鉴相增益,=一,为电荷泵的充放电电流: () 是环路滤波器的传输函数; 是的压控增益,单位是弧度伏;因为是一个积分环节,所以它的 传输函数分母中含有一个积分算子; 是环路的分频比,即θ6( 因此锁相环的开环传递函数为: () 闭环传递函数为 典型的锁相环开环传递函数伯德图为 博客: 电子民工 幅值裕度 相位裕度￥ 图锁相环开环传递函数的伯德图 图中,ω为环路增益降为时的频率,即通常所说的环路带宽。幅值裕度和相位裕 度是描述系统稳定程度的两个关键参数,定义如下: 幅值裕度 () 相位裕度=y=+ga () 其中 工程中,系统的幅值裕度一般会设计为,即系统开环増益再变人倍也不会到达 不稳定状态。而相位裕度般要求为 ,通常取°。若相位裕度加大,系统响应 的过渡过程会变长。 环路滤波器的计算 在实际的工稈应用中,分频器、鉴相器与电荷泵这三部分都已经被封装于锁相环里, 程师所需要做的基本上只是根据系统要求计算出合适的环路滤波器并调试。 下面以阶无源环路滤波器(图)为例来讲解各元件值的求解过程,因计算过程较为 繁琐,这里只给出求解方法,并不进行实际的运算。 该滤波器的传输函数为 则锁相环系统的开环传递函数为 博客 电子民工 图阶无源环路滤波器 ,把上式的换成ω,则有 () 从上式可看出系统的相位函数为: 为了保证环路的稳定,通常我们期望在开环増益降为(ωω)时系统具有最人相 位裕度(取°),即该点是相位曲线的拐点,因此可得 y=I+ 根据定义,开环增益在ω处降为 即 由上面三个式了()、()和()即可算出环路滤波器各个元器件的值。由于环路滤波 器的计算过于复杂,一般不会采用手工计算,通常我们会借助各种仿真软件来求解。 博客: 电子民工 锁相环实例与仿真 本节使用公司的锁相环芯片 作为例子来讲解。该芯片为整数分频芯片,其 数据手册读者可到以下网址下载: 卜图为 的功能框图 FUNCTIONAL BLOCK DIAGRAM CPGND 来白参考源 REFERE NGE R GGLNTER 电荷泵 CHARGE DETECTDR 控制接口 R CCLNTER 鉴相器 24-RT FL MCTIOY IHPUT FECISTER LATCH sENT I SETnnNZ 参考分频器 ,日 CC UNTFR SDOUT LATCH QP13 CP12 CPI C5I6 CPIE P14 HIG-Z 射频分器 来自C0 MLX OMUXOJT = HP +A 13-BIT H CUUN±H AFNA HHE SCALEH LOAD& A COUNT三R M3 112 ADF4110/ADF4111 ADF4112/ADF4113 AGND DGND 图 功能框图 以下是 的一些性能参数,详见数据于册: (1) 为射频信号输入∏,其信号来自,该端∏能接受的输入频率沱围是 供电时输入信号的幅度范围 为参考信号输入口,其信号来自参考源(如,该端口能接受的输入频 率范围是 ,输入归度要求至少为 (3)鉴和器能接受的最人的输入频率为 ,因此需要确保分频后和不超过该 值 ④)电荷泵电流可通过写寄存器控制,一共有档,其范围由外部电阻决定 (5) 下面以一实际案例来讲解如何利用计算合适的环路滤波器并估算其锁定时间和相 位噪声 设一窄带项日采用 片为 ,各个系统模块的参数如下: 输出频率: (2)压控增益 相位噪声: 噪 底为 4)参考源频率: (5)参考源相位噪声 噪底为 (6)系统频率间隔 由于 是整数分频芯片,因此鉴相频率应选为系统频率间隔,即 则参 博客: 电子民工 考分频器的分频比应设置为,射频分频器的分频比应设置为±;芯片的电荷泵电 流我们选取典型值。 我们的设计目标是:采用无源阶环路滤波器,系统环路带宽为ω 环路带宽 通常设置为鉴相频率的左右),相位裕度为y 计算环路滤波器 启动,新建工程: c接着我们在弹出的原理图的菜单栏中选择 ,这时会弹出选项卡,根据我们的设计依次 选择如卜 Phase Locked Loop: 1 Type of Configuration Simulation Phase Detector Loop 4> ⊙ requency Synthesizer)频率合成器 modul at or ○ Phase modulat or I Cancel I in Phase Locked Loop Trpe of Confi t1口r 0E ⊙ Loop Frequency re sp onse)查看环路频率响应 ○ Phase oise R ○ Transient Response OR C 图 博客 电子民工 in Phase Locked Loop: 1 T ype t1o] O Phase Frequency O: Charge Pump 的鉴相器基于电荷泵结构 1 e Or C 图 a Phase Locked Loop: I Conf Simul detecto Loop fil ⊙ assive4Pale)采用无源阶环路滤波器,此吋系统 为阶系统 Active 2 Pole (Low G Active了Pa O Active 3 Pole (Prefiltered Active 4 Pole (Prefiltered) Cancel 选择完毕后,点击进行桷认,系统会根据这些选项自动为我们生成如下的仿貞原理图模 板 博客 电子民工 nthesizer Frequenc Respense usinc a Charge fump In opturmIzstsnsnd ew res sed. Locr Frequency Response simi aioi ① au】 Rcsponsc Simulation Locr Fiter Frs ue ly Response SimUlation oul 11 吉 4) 匙Lh 四 Iarge lEdU EPP|〓 图 环路响应仿真模板 原理图分为个部分,其中:用于仿真系统闭环特性 变量设置区,用」设置环路各个参数; 用于仿真系统开环特性; 用于仿真环路滤波器频率响应,求得的 被用作计算 的中间值 仿真所需的仿真器、优化器、优化目标及公式编辑器 我们先来看第部分: ( p F" Ancy Resporse Simi ati Linea PFDwrNoise =Rlpt1 Charge pump R=Fl NO=kB FLre0pA‘1c-t vac=lar〔101 Trec=tI' ec The sensitivity 士 ntiP「D readi. 图 鉴相埤益、滤波器器件值、 压控増益和分频值等各模块的参数都被设置成变量,统 放在第部分的变量设置区内进行设置。信号源不需要设置 第和第部分情况与第部分类似,我们不需要做任何改动。 第部分是环路参数配置区,我们需要根据实际的系统参数和设计目标做一些改动。改 动后如下图所示: 博客 【实例截图】
【核心代码】
PLL_锁相环的ADS_仿真、详细实例讲解如何用ADS进行锁相环的仿真与设计
电子民工 锁相环基础 在通信系统中产生可变的本振信号〔)的方法有以下几种:倍频混频、直接数字频 率合成()和锳相环技术()。其中倍频混频方法杂散较大,谐波难以抑制: 器作工作频率较低且功耗较大,而技术相对来说具有应用方便灵活与频率范围宽等优 点,是现阶段主流的频率合成技术。 目前生产芯片的知名厂商有:模拟器件公司()、美国国家半导体公司() 德州仪器()等。他们的代表型号分别有 基本工作原理 锁相环包括凹个基本模块:压控振荡器()、鉴相器()、分频器()和环路 滤波器(),如下图 鉴相器 低通滤波器 压控振荡器 fou PD LPF VCO f 分频器 Div 图锁相环基木框图 压控振荡器():产生射频信号。其输出频率受到控制电压的影响,大多数的输 出频率随控制电压高而升高,即具有止斜率; 分频器() 对的输出频牽进行分频,使频率降下来以便于处理; 鉴相器(): 对输入的参考频率〔相位)和分频后的进行比较,根据频率(相 位)之差产生对应的输出电压; 低通滤波器():对鉴相器输出的电压进行滤波,为提供干净的控制电压,同时 为系统提供·定的稳定裕量,该低通滤波器也称为环路滤波器。 是一个频率相位的自动控制系统:假如偏离期望的频率,则会与产生一定 的频差,此时鉴相器会根据该频差输出对应的控制电压去迫使同到期望的频率;当变 化时,鉴相器的两个输入频率会产生一定的频差,接着鉴相器输出电压会随频差的大小而改 变,迫使变化到刈应的频率,以保证与相等。也就是说,我们可以通过改变使 变化到我们希望的频率,同时还能够自动跟踪的变化,这个特点使能够用作频率合 成器和调制解调器。 锁相环性能参数 锁相环系统有以下几个较为重要的技术指标 ()频率准确度:实际输岀频率与标称输出频率之差,一般由分频数与参考源 决定 (2)频率稳定度:在一定时间间隔内,频率的相对变化程度 单位一般为 ()或(),该指标般由参考源决定 (3)频率精度:相邻两个输出频率的最小间隔,对于整数分频,其频率精度等于; 对于小数分频,其频率精度可为任意小: 博客: 电子民工 (4)频率范围:锁相环系统输岀频率的沱围,该指标由频率氾围和锁相环芯片 内的分频器共同决定 (5)换频时间:锁相环系统输出信号从一个频率切换到另一个频率时,其输出从突变 到重新进入稳定状态所用的时间,该指标由系统陧尼系薮和环路带宽 决定; (6)频谱纯度 该指标由输出信号的相位噪声和杂散来衡量,带内相位噪声主要由参 考源、鉴相器和电荷泵决定,带外相位噪声主要由决定 我们使用的锁相环芯片的鉴相器输出通常是基于电荷泵结构的,因此下面均以电荷泵锁 相坯为例进行讲鲜。对于基J电荷泵结枃的锁相环,其锁定或接近锁定时可近似等效为一个 线性的反馈系统,其系统框图如下: 鉴相器 低通滤波器压控振荡器 分频器 图电荷泵锁相环的系统框图 其中()是鉴相器与电荷泵的鉴相增益,=一,为电荷泵的充放电电流: () 是环路滤波器的传输函数; 是的压控增益,单位是弧度伏;因为是一个积分环节,所以它的 传输函数分母中含有一个积分算子; 是环路的分频比,即θ6( 因此锁相环的开环传递函数为: () 闭环传递函数为 典型的锁相环开环传递函数伯德图为 博客: 电子民工 幅值裕度 相位裕度￥ 图锁相环开环传递函数的伯德图 图中,ω为环路增益降为时的频率,即通常所说的环路带宽。幅值裕度和相位裕 度是描述系统稳定程度的两个关键参数,定义如下: 幅值裕度 () 相位裕度=y=+ga () 其中 工程中,系统的幅值裕度一般会设计为,即系统开环増益再变人倍也不会到达 不稳定状态。而相位裕度般要求为 ,通常取°。若相位裕度加大,系统响应 的过渡过程会变长。 环路滤波器的计算 在实际的工稈应用中,分频器、鉴相器与电荷泵这三部分都已经被封装于锁相环里, 程师所需要做的基本上只是根据系统要求计算出合适的环路滤波器并调试。 下面以阶无源环路滤波器(图)为例来讲解各元件值的求解过程,因计算过程较为 繁琐,这里只给出求解方法,并不进行实际的运算。 该滤波器的传输函数为 则锁相环系统的开环传递函数为 博客 电子民工 图阶无源环路滤波器 ,把上式的换成ω,则有 () 从上式可看出系统的相位函数为: 为了保证环路的稳定,通常我们期望在开环増益降为(ωω)时系统具有最人相 位裕度(取°),即该点是相位曲线的拐点,因此可得 y=I+ 根据定义,开环增益在ω处降为 即 由上面三个式了()、()和()即可算出环路滤波器各个元器件的值。由于环路滤波 器的计算过于复杂,一般不会采用手工计算,通常我们会借助各种仿真软件来求解。 博客: 电子民工 锁相环实例与仿真 本节使用公司的锁相环芯片 作为例子来讲解。该芯片为整数分频芯片,其 数据手册读者可到以下网址下载: 卜图为 的功能框图 FUNCTIONAL BLOCK DIAGRAM CPGND 来白参考源 REFERE NGE R GGLNTER 电荷泵 CHARGE DETECTDR 控制接口 R CCLNTER 鉴相器 24-RT FL MCTIOY IHPUT FECISTER LATCH sENT I SETnnNZ 参考分频器 ,日 CC UNTFR SDOUT LATCH QP13 CP12 CPI C5I6 CPIE P14 HIG-Z 射频分器 来自C0 MLX OMUXOJT = HP +A 13-BIT H CUUN±H AFNA HHE SCALEH LOAD& A COUNT三R M3 112 ADF4110/ADF4111 ADF4112/ADF4113 AGND DGND 图 功能框图 以下是 的一些性能参数,详见数据于册: (1) 为射频信号输入∏,其信号来自,该端∏能接受的输入频率沱围是 供电时输入信号的幅度范围 为参考信号输入口,其信号来自参考源(如,该端口能接受的输入频 率范围是 ,输入归度要求至少为 (3)鉴和器能接受的最人的输入频率为 ,因此需要确保分频后和不超过该 值 ④)电荷泵电流可通过写寄存器控制,一共有档,其范围由外部电阻决定 (5) 下面以一实际案例来讲解如何利用计算合适的环路滤波器并估算其锁定时间和相 位噪声 设一窄带项日采用 片为 ,各个系统模块的参数如下: 输出频率: (2)压控增益 相位噪声: 噪 底为 4)参考源频率: (5)参考源相位噪声 噪底为 (6)系统频率间隔 由于 是整数分频芯片,因此鉴相频率应选为系统频率间隔,即 则参 博客: 电子民工 考分频器的分频比应设置为,射频分频器的分频比应设置为±;芯片的电荷泵电 流我们选取典型值。 我们的设计目标是:采用无源阶环路滤波器,系统环路带宽为ω 环路带宽 通常设置为鉴相频率的左右),相位裕度为y 计算环路滤波器 启动,新建工程: c接着我们在弹出的原理图的菜单栏中选择 ,这时会弹出选项卡,根据我们的设计依次 选择如卜 Phase Locked Loop: 1 Type of Configuration Simulation Phase Detector Loop 4> ⊙ requency Synthesizer)频率合成器 modul at or ○ Phase modulat or I Cancel I in Phase Locked Loop Trpe of Confi t1口r 0E ⊙ Loop Frequency re sp onse)查看环路频率响应 ○ Phase oise R ○ Transient Response OR C 图 博客 电子民工 in Phase Locked Loop: 1 T ype t1o] O Phase Frequency O: Charge Pump 的鉴相器基于电荷泵结构 1 e Or C 图 a Phase Locked Loop: I Conf Simul detecto Loop fil ⊙ assive4Pale)采用无源阶环路滤波器,此吋系统 为阶系统 Active 2 Pole (Low G Active了Pa O Active 3 Pole (Prefiltered Active 4 Pole (Prefiltered) Cancel 选择完毕后,点击进行桷认,系统会根据这些选项自动为我们生成如下的仿貞原理图模 板 博客 电子民工 nthesizer Frequenc Respense usinc a Charge fump In opturmIzstsnsnd ew res sed. Locr Frequency Response simi aioi ① au】 Rcsponsc Simulation Locr Fiter Frs ue ly Response SimUlation oul 11 吉 4) 匙Lh 四 Iarge lEdU EPP|〓 图 环路响应仿真模板 原理图分为个部分,其中:用于仿真系统闭环特性 变量设置区,用」设置环路各个参数; 用于仿真系统开环特性; 用于仿真环路滤波器频率响应,求得的 被用作计算 的中间值 仿真所需的仿真器、优化器、优化目标及公式编辑器 我们先来看第部分: ( p F" Ancy Resporse Simi ati Linea PFDwrNoise =Rlpt1 Charge pump R=Fl NO=kB FLre0pA‘1c-t vac=lar〔101 Trec=tI' ec The sensitivity 士 ntiP「D readi. 图 鉴相埤益、滤波器器件值、 压控増益和分频值等各模块的参数都被设置成变量,统 放在第部分的变量设置区内进行设置。信号源不需要设置 第和第部分情况与第部分类似,我们不需要做任何改动。 第部分是环路参数配置区,我们需要根据实际的系统参数和设计目标做一些改动。改 动后如下图所示: 博客 【实例截图】
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