環路濾波器概述

鎖相環系統的環路濾波器設計，是鎖相環設計的核心部分之一，通過設置合適的環路帶寬和相位裕度，實現整個系統在穩定的前提下，將電荷泵電流通過積分轉換為電壓信號；輸出的電壓能滿足壓控振蕩器調諧電壓要求。輸出較為純凈的頻率。

環路濾波器分類：無源濾波器與有源濾波器

無源濾波器：

無源比例積分濾波器是環路中最常用的無源環路濾波器，只需要幾個電阻和電容就可以輕易的搭出來。

優點：結構簡單而且所占用空間小，相對而言成本較低，相位噪聲更優。

缺點：對于調諧電壓較高的電路，無源環路無法提供增益。導致設計過程中會出現系統無法鎖定的情況，此時需要通過有源環路來實現增益補償，達到我們的設計要求。

注意：濾波器階數增加濾波器的過渡帶將變窄，對應頻譜圖中的譜線將會更加陡峭，濾波器的性能也更加接近理想濾波器。增加階數可能會引起系統的不穩定，所以在設計時一般采用三階或四階環路濾波器進行設計，不能無限制增加階數。三階電路圖如下圖所示。

三階無源濾波器

有源****濾波器

優點：濾波的同時能放大信號的功率。

缺點：相對而言體積更大，成本更高。將引入的噪聲更多，系統的輸出端相位噪聲惡化，

注意：電荷泵電流流經R1時，也會產生噪聲，設計過程中其電阻R1盡量取較小值，可以適當減少運算放大器的影響。所以設計有源環路濾波器的時需采用低噪聲的有源運放。

一階有源

四階無源有源電路圖

環路設計指標

主要關注環路帶寬和相位裕度兩個指標。相位裕度保證系統處于穩定狀態，環路帶寬設計可以確保系統的相位噪聲較低，雜散抑制較好。

截止頻率根號下1/RC，每十倍頻衰減-20dBc，截至頻率處的相位為45°，截止頻率的環路增益為-3dB。

環路帶寬越大，鎖相環的鎖定時間越短，但是雜散抑制性能會變差；相位裕度越小，鎖定時間越短，但是會引起系統的不穩定；環路帶寬對于鎖相環相位噪聲的影響則比較復雜，需要根據環路中各器件的相位噪聲貢獻折中選取一個合適的環路帶寬。

一般來說，環路帶寬不得大于參考信號頻率的十分之一，相位裕度設置為45°左右（30°~60°），系統比較穩定。為了確保環路穩定?設計中通常要求相位余量在至之間。

在鎖相環的實際設計中，環路濾波器的參數計算可以借助計算機輔助設計軟件來完成，如ADIsimPLL仿真軟件或PLLatinum Sim。

PLLatinum Sim來配置我們的環路濾波器：軟件會根據用戶設定的環路帶寬自動設置環路濾波器值。在本設計中，我們將環路濾波器的階數設為4階，環路帶寬cw設為10kHz，鑒相頻率設為10MHz，輸出頻率為535MHz。設置完后，軟件自動計算出一組參數。

其他參數例子：

鑒相頻率為20MHz，環路帶寬設置在100KHz附近；

鑒相頻率為60~80MHz，環路帶寬在150KHz附近；

鑒相頻率為10MHz,環路濾波器帶寬設置130kHz附近；

鑒相頻率為122.88MHz，環路帶寬選擇為70kHz，相位裕度選擇為50°；

鑒相頻率為10MHz,環路帶寬取200kHz，選取相位裕48°。

當然仿真計算出來的環路參數只是參考，板子做出來之后，還需要根據實際情況對環路濾波器參數進行微調。

鎖相環本身相當于一個可移動的窄帶濾波器。還需要注意，鎖相環內不允許再加窄帶濾波器，當反饋信號通過時，必定會產生相移，使得環路相位裕度不夠，最終導致環路產生自激。