环路滤波器的环路带宽及相位裕度简析

环路滤波器概述

锁相环系统的环路滤波器设计，是锁相环设计的核心部分之一，通过设置合适的环路带宽和相位裕度，实现整个系统在稳定的前提下，将电荷泵电流通过积分转换为电压信号；输出的电压能满足压控振荡器调谐电压要求。输出较为纯净的频率。

环路滤波器分类：无源滤波器与有源滤波器

无源滤波器：

无源比例积分滤波器是环路中最常用的无源环路滤波器，只需要几个电阻和电容就可以轻易的搭出来。

优点：结构简单而且所占用空间小，相对而言成本较低，相位噪声更优。

缺点：对于调谐电压较高的电路，无源环路无法提供增益。导致设计过程中会出现系统无法锁定的情况，此时需要通过有源环路来实现增益补偿，达到我们的设计要求。

注意：滤波器阶数增加滤波器的过渡带将变窄，对应频谱图中的谱线将会更加陡峭，滤波器的性能也更加接近理想滤波器。增加阶数可能会引起系统的不稳定，所以在设计时一般采用三阶或四阶环路滤波器进行设计，不能无限制增加阶数。三阶电路图如下图所示。

三阶无源滤波器

有源****滤波器

优点：滤波的同时能放大信号的功率。

缺点：相对而言体积更大，成本更高。将引入的噪声更多，系统的输出端相位噪声恶化，

注意：电荷泵电流流经R1时，也会产生噪声，设计过程中其电阻R1尽量取较小值，可以适当减少运算放大器的影响。所以设计有源环路滤波器的时需采用低噪声的有源运放。

一阶有源

四阶无源有源电路图

环路设计指标

主要关注环路带宽和相位裕度两个指标。相位裕度保证系统处于稳定状态，环路带宽设计可以确保系统的相位噪声较低，杂散抑制较好。

截止频率根号下1/RC，每十倍频衰减-20dBc，截至频率处的相位为45°，截止频率的环路增益为-3dB。

环路带宽越大，锁相环的锁定时间越短，但是杂散抑制性能会变差；相位裕度越小，锁定时间越短，但是会引起系统的不稳定；环路带宽对于锁相环相位噪声的影响则比较复杂，需要根据环路中各器件的相位噪声贡献折中选取一个合适的环路带宽。

一般来说，环路带宽不得大于参考信号频率的十分之一，相位裕度设置为45°左右（30°~60°），系统比较稳定。为了确保环路稳定‚设计中通常要求相位余量在至之间。

在锁相环的实际设计中，环路滤波器的参数计算可以借助计算机辅助设计软件来完成，如ADIsimPLL仿真软件或PLLatinum Sim。

PLLatinum Sim来配置我们的环路滤波器：软件会根据用户设定的环路带宽自动设置环路滤波器值。在本设计中，我们将环路滤波器的阶数设为4阶，环路带宽cw设为10kHz，鉴相频率设为10MHz，输出频率为535MHz。设置完后，软件自动计算出一组参数。

其他参数例子：

鉴相频率为20MHz，环路带宽设置在100KHz附近；

鉴相频率为60~80MHz，环路带宽在150KHz附近；

鉴相频率为10MHz,环路滤波器带宽设置130kHz附近；

鉴相频率为122.88MHz，环路带宽选择为70kHz，相位裕度选择为50°；

鉴相频率为10MHz,环路带宽取200kHz，选取相位裕48°。

当然仿真计算出来的环路参数只是参考，板子做出来之后，还需要根据实际情况对环路滤波器参数进行微调。

锁相环本身相当于一个可移动的窄带滤波器。还需要注意，锁相环内不允许再加窄带滤波器，当反馈信号通过时，必定会产生相移，使得环路相位裕度不够，最终导致环路产生自激。