電荷泵和濾波器

　　電荷泵將鑒相器誤差電壓轉(zhuǎn)換為電流脈沖，并通過PLL環(huán)路濾波器進行積分和平滑處理。電荷泵通常可在最多低于其電源電壓（VP）0.5 V的電壓下工作。例如，如果最大電荷泵電源為5.5 V，那么電荷泵只能在最高5 V輸出電壓下工作。如果VCO需要更高的調(diào)諧電壓，則通常需要有源濾波器。有關(guān)實際PLL的有用信息和參考設(shè)計，請參見電路筆記CN-0174，5，處理高壓的方式請參見利用高壓VCO設(shè)計高性能鎖相環(huán)，”6該文章發(fā)表于模擬對話第43卷第4期（2009）。有源濾波器的替代方案是使用PLL和針對更高電壓設(shè)計的電荷泵，例如ADF4150HV ADF4150HV可使用高達30 V的電荷泵電壓工作，從而在許多情況中省去了有源濾波器。

　　電荷泵的低功耗使其看似頗具吸引力，可使用升壓轉(zhuǎn)換器從較低的電源電壓產(chǎn)生高電荷泵電壓，然而與此類DC-DC轉(zhuǎn)換器相關(guān)的開關(guān)頻率紋波可能在VCO的輸出端產(chǎn)生干擾雜散音。高PLL雜散可能造成發(fā)射機發(fā)射屏蔽測試失敗，或者降低接收機系統(tǒng)內(nèi)的靈敏度和帶外阻塞性能。為幫助指導(dǎo)轉(zhuǎn)換器紋波的規(guī)格，使用圖6的測量設(shè)置針對各種PLL環(huán)路帶寬獲得全面電源抑制曲線圖與頻率的關(guān)系。

　　圖6.測量電荷泵電源抑制的設(shè)置

　　17.4 mV （–22 dBm）的紋波信號經(jīng)交流耦合至電源電壓，并在頻率范圍內(nèi)進行掃描。在每一頻率下測量雜散水平，并根據(jù)–22dBm輸入與雜散輸出電平間的差異（以dB表示）計算PSR。留在適當位置的0.1 μF和1 nF電荷泵電源去耦電容為耦合信號提供一定衰減，因此發(fā)生器處的信號電平增加，直至在各頻率點下引腳上直接測得17.4 mV。結(jié)果如圖7所示。

　　在PLL環(huán)路帶寬內(nèi)，隨著頻率增加，電源抑制最初變差。隨著頻率接近PLL環(huán)路帶寬，紋波頻率以類似于基準噪聲的方式衰減，PSR改善。該曲線圖顯示，需要具有較高開關(guān)頻率（理想情況下大于1 MHz）的升壓轉(zhuǎn)換器，以便盡可能降低開關(guān)雜散。另外，PLL環(huán)路帶寬應(yīng)盡可能降至最低。

　　1.3 MHz時， ADP1613就是一款合適的升壓轉(zhuǎn)換器。如果將PLL環(huán)路帶寬設(shè)置為10 kHz，PSR可能達到大約90 dB；環(huán)路帶寬為80 kHz時，PSR為50 dB。首先解決PLL雜散水平要求后，可以回頭決定升壓轉(zhuǎn)換器輸出所需的紋波電平。例如，如果PLL需要小于–80 dBm的雜散，且PSR為50 dB，則電荷泵電源輸入端的紋波功率需小–30 dBm，即20 mV p-p。如果在電荷泵電源引腳附近放置足夠的去耦電容，上述水平的紋波電壓可使用紋波濾波器輕松實現(xiàn)。例如，100 nF去耦電容在1.3MHz時可提供20 dB以上的紋波衰減。應(yīng)小心使用具有適當電壓額定值的電容；例如，如果升壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生18 V電源，應(yīng)使用具有20V或更高額定值的電容。

　　圖7.ADF4150HF電荷泵電源抑制曲線圖

　　使用基于Excel的設(shè)計工具ADP161x.可以簡化升壓轉(zhuǎn)換器和紋波濾波器的設(shè)計。圖8顯示用于5 V輸入至20 V輸出設(shè)計的用戶輸入。為將轉(zhuǎn)換器級輸出端的電壓紋波降至最低，該設(shè)計選擇噪聲濾波器選項，并將VOUT紋波場設(shè)定為最小值。高壓電荷泵的功耗為2 mA（最大值），因此OUT 為10 mA以提供裕量。該設(shè)計使用20 kHz的PLL環(huán)路帶寬，通過ADF4150HV評估板進行測試。根據(jù)圖7，可能獲得約70dB的PSR。由于PSR極佳，此設(shè)置未在VCO輸出端呈現(xiàn)明顯的開關(guān)雜散（《 –110 dBm），即使是在省去噪聲濾波器時。

　　圖8.ADP1613升壓轉(zhuǎn)換器EXCEL設(shè)計工具

　　作為最終實驗，將高壓電荷泵的PSR與有源濾波器（目前用于產(chǎn)生高VCO調(diào)諧電壓的最常見拓撲結(jié)構(gòu)）進行比較。為執(zhí)行測量，使用無源環(huán)路濾波器將幅度為1 V p-p的交流信號注入ADF4150HV的電荷泵電源（VP）與圖6的測量設(shè)置相同。后以有源濾波器代替相等帶寬的無源濾波器，重復(fù)相同的測量。所用的有源濾波器為CPA_PPFFBP1型，如ADIsimPLL所述（圖9）。

　　圖9.ADlsimPLL中CPA_PPFFBP1濾波器設(shè)計的屏幕視圖。

　　為提供公平的比較，電荷泵和運算放大器電源引腳上的去耦相同，即10 μF、10 nF和10 pF電容并聯(lián)。測量結(jié)果顯示于圖10中：與有源濾波器相比，高壓電荷泵的開關(guān)雜散水平降低了40 dB至45 dB。利用高壓電荷泵改善的雜散水平部分可解釋為通過有源濾波器看到的環(huán)路濾波器衰減更小，其中注入的紋波在第一極點之后，而在無源濾波器中注入的紋波位于輸入端

　　圖10.有源環(huán)路濾波器與高壓無源濾波器的電源紋波電平

　　最后一點：圖1所示的第三電源電軌（分壓器電源，AVDD/DVDD—與VCO和電荷泵電源相比具有較寬松的電源要求，因為PLL（AVDD）的RF部分通常是具有穩(wěn)定帶隙參考偏置電壓的雙極性ECL邏輯級，所以相對不受電源影響。另外，數(shù)字CMOS模塊本質(zhì)上對電源噪聲具有更強的抵抗力。因此，建議選擇（DVDD）能夠滿足此電軌電壓和電流要求的中等性能LDO，并在所有電源引腳附近充分去耦；通常100 nF和10 pF并聯(lián)就夠了。

　　結(jié)束語

　　以上已討論主要PLL模塊的電源管理要求，并針對VCO和電荷泵電源推算出規(guī)格。ADI公司為電源管理和PLL IC提供多種設(shè)計支持工具，包括參考電路和解決方案，還有各種仿真工具，如ADIsimPLL和 ADIsimPower. 了解電源噪聲和紋波對PLL性能的影響后，設(shè)計人員可以回頭推算電源管理模塊的規(guī)格，進而實現(xiàn)性能最佳的PLL設(shè)計。