电荷泵锁相环四阶无源环路滤波器的设计
1. 绪论
1.1 研究背景
1.2 研究目的与意义
1.3 现有研究综述
2. 无源环路滤波器原理
2.1 电荷泵
2.2 锁相环
2.3 无源滤波器
2.4 四阶环路滤波器
3. 设计方案
3.1 系统框图
3.2 电路设计流程
3.3 具体电路设计
4. 实验验证
4.1 实验设备与方法
4.2 实验结果与分析
5. 结论与展望
5.1 结论总结
5.2 研究展望及不足
参考文献1. 绪论
1.1 研究背景
滤波器是电子系统中重要的信号处理器件，用于滤除噪声、干扰等非期望信号，提高系统性能和可靠性。传统的滤波器通常包括有源滤波器和无源滤波器，有源滤波器具有较高的增益和带宽，但容易产生交叉耦合、不稳定性等问题，不适合高灵敏度和高可靠性的系统应用。相对地，无源滤波器不需要功率放大器，具有低噪声、低失真、高工作稳定性等优点，因此受到广泛关注。
环路滤波器是一种无源滤波器，它利用环路反馈结构实现信号滤波，可以用于时钟恢复、PLL电路、模数转换器、数字信号处理等领域。环路滤波器的特点是抑制抖动频率和高频噪声，同时保持信号相位不变，因此能够有效地减少电子系统中时钟服从误差、干扰等问题。而四阶环路滤波器是基于二阶滤波器级联实现的，具有更高的阻带深度和抑制量，因此适用于对要求更高的滤波应用领域。
1.2 研究目的与意义
目前，环路滤波器的设计研究已经相对成熟，但在实际应用中，仍然存在一些问题，如：滤波器带宽、抑制深度、相位噪声等方面的指标需要进一步优化，同时还需要提高滤波器的环路稳定性和抗噪声干扰能力。因此，本文旨在设计一种基于电荷泵锁相环的四阶无源环路滤波器，通过优化电路设计与参数选择，提高滤波器的性能指标和工作稳定性，实现滤波效果更加优异的无源滤波器。
1.3 现有研究综述
电荷泵锁相环作为一种广泛应用于频率合成和时钟恢复领域的锁相环，其具有结构简单、工作稳定、精度高等优点，目前已经在许多应用领域中得到推广应用。同时，环路滤波器也是一种常用的滤波器结构，在信号处理、相位锁定等领域被广泛应用。对于电荷泵锁相环与无源环路滤波器结合的研究，现有的文献研究较为有限，因此本文拟通过实验验证设计的电路，来进一步探究电荷泵锁相环与环路滤波器相结合的效果，提高滤波器的性能和稳定性。2. 环路滤波器与电荷泵锁相环的原理
2.1 无源环路滤波器原理
无源环路滤波器是一种基于环路反馈结构的滤波器，通过将输入信号通过反馈路径返回到输出端口，实现对信号的滤波处理。具体来说，无源环路滤波器由二阶滤波器级联而成，其中每一级都由电容和电感组成，通过改变电容和电感的数值，可调整滤波器的响应特性。在滤波器输出端口，通过添加电阻与输入信号相乘，实现将滤波后的信号输出。由于无源环路滤波器不需要功率放大器，因此具有低噪声、低失真、高工作稳定性等优点，在同等性能的条件下，相对传统的有源滤波器具有更高的可靠性和稳定性。
2.2 电荷泵锁相环原理
电荷泵锁相环是一种基于环路反馈结构的锁相环，其周而复始
的工作原理可以用以下步骤描述：首先，锁相环采用相位检波器对输入信号进行相位比较，生成误差信号；然后，通过电荷泵电路将误差信号转换为电流信号，驱动振荡器或时间脉冲输出；最后，将振荡器或时间脉冲电路的输出信号反馈到相位检波器中，形成环路反馈结构，实现锁相环的同步作用。
在锁相环的工作过程中，输出信号通过环路反馈不断修正输入信号的相位和频率，使得输出信号逐渐趋于与输入信号同步，从而实现对输入信号的精确跟踪和同步。电荷泵锁相环具有结构简单、精度高、工作稳定和抗噪声扰动能力强等优点，在频率合成、时钟恢复、频率标准等领域得到广泛应用。
2.3 电荷泵锁相环与无源环路滤波器结合原理
将电荷泵锁相环与无源环路滤波器结合，可以形成一种更加优异的无源滤波器。由于电荷泵锁相环可以实现信号的频率合成和时钟恢复，因此可以在无源环路滤波器的基础上，进一步提高滤波器的性能指标和工作稳定性。具体来说，通过将电荷泵锁相环的输出信号作为无源环路滤波器的输入信号，可以实现对输入信号的进一步滤波和谐波抑制效果，从而对于有高精度和低噪声要求的应用领域具有较好的适用性。同时，在高频噪声干扰等复杂环境下，电荷泵锁相环还可以实现对信号的自适应滤波和抑制，提高滤波器的抗噪声干扰能力。
因此，将电荷泵锁相环与无源环路滤波器结合具有良好的应用前景，在诸如时钟恢复、相位锁定等领域中发挥重要作用。3. 环路滤波器与电荷泵锁相环的应用
无源环路滤波器和电荷泵锁相环是一对相互补充的滤波器组合，不仅能够提供稳定精确的滤波效果，还可以实现高速时钟恢复、频率合成等应用，广泛应用于通信、雷达、测量等领域。
3.1 高精度时钟恢复
时钟恢复是一种将数字信号重新定时为时钟比特率的技术，是数字通信系统中的重要问题。由于传输中存在噪声和误码，时钟信号可能会失去同步，导致信号无法正确解调。在这种情况下，使用环路滤波器和电荷泵锁相环的组合可以实现精确的时钟恢复。环路滤波器可以过滤掉噪声和干扰，保持稳定的时钟信号，而电荷泵锁相环可以实现快速精确的时钟跟踪。因此，这种组合可以在广泛的数字通信系统中实现高质量的时钟恢复。
3.2 频率合成
频率合成是一种将多个不同频率的信号合成为一个单一的高精度信号的技术。频率合成广泛应用于通信、测量、计算机网络和多媒体等领域。环路滤波器和电荷泵锁相环的结合技术可以实现高精度的频率合成，因为环路滤波器能够滤除不需要的频段，而电荷泵锁相环则能够实现精确的频率跟踪和锁定。这种技术被广泛应用于信号发生器、计量仪表、广播和卫星通信等领域。
3.3 数据恢复
数据恢复是将数字信号解调成原始数据的过程。在数字通信中，
不同的传输通道可能会引入不同的色散、失真和相位噪声，从而导致信号传输失去精度，无法正确解调。使用环路滤波器和电荷泵锁相环可以实现高精度的数据恢复。环路滤波器能够过滤失真和噪声，保持信号的稳定性，而电荷泵锁相环可以自适应地调整相位和频率，并实现精确的时钟跟踪，以恢复原始的数字数据。这种组合技术可以广泛应用于数字通信和数据存储领域。
3.4 雷达
雷达系统是一种广泛应用环路滤波器和电荷泵锁相环技术的领域。雷达是一种检测、测量和跟踪运动目标的技术，广泛应用于航空、军事、海洋、气象等领域。雷达系统中需要使用高精度的时钟、频率合成和数据恢复等技术，而环路滤波器和电荷泵锁相环则是实现这些技术的重要工具。通过这种技术，在雷达系统中可以实现良好的信号跟踪和目标探测，大大提高雷达系统的目标跟踪精度和探测性能。
综上所述，通过环路滤波器和电荷泵锁相环的相互结合，可以实现优异的滤波效果、高精度的时钟恢复、快速精确的频率合成和数据恢复，广泛应用于通信、雷达、测量等领域，具有重要的应用价值。4. 环路滤波器与电荷泵锁相环的设计与优化
在环路滤波器和电荷泵锁相环的设计和优化中，需要考虑多种因素，如滤波器参数、锁相环架构、环路增益、阶数、带宽等。
4.1 环路滤波器的设计与优化
环路滤波器是基于反馈原理设计的，通过不断调整反馈系数，使得信号在回路内振荡，从而实现滤波的效果。环路滤波器的主要参数包括增益、带宽、阶数等，需要通过优化来实现设计。其中，环路增益是指回路内放大器的增益大小，过大会导致震荡不稳定，过小则不能达到滤波效果。带宽是指在特定频段内有效的滤波范围，需要根据设计需求通过合适的反馈系数进行优化。阶数则表示滤波器中滤波器单元的数量，阶数越高，滤波器的频率响应曲线越陡峭。在环路滤波器的设计中，需要对上述参数进行合理的选取和调整，以满足具体的设计需求。
4.2 电荷泵锁相环的设计与优化
电荷泵锁相环是一种用于频率合成和时钟跟踪的电路。在设计和优化时，需要考虑锁相环的架构、环路增益、相位检测器、VCO（压控振荡器）等参数。锁相环的架构包括正反馈回路、误差放大器、相位检测器和VCO等组成部分。环路增益是指
回路内放大器的增益大小，过大会导致震荡不稳定，过小则反应时间慢。相位检测器通过检测输入信号与反馈信号的相位关系来控制VCO的输出频率。VCO则是用于控制时钟频率的元
器件，需要根据具体的设计要求调整参数。在设计和优化中，需要对上述参数进行合适的选择和调整，以实现稳定的时钟跟踪和高品质的频率合成。
4.3 组合优化
由于环路滤波器和电荷泵锁相环之间相互关联，因此它们的设
计与优化需要进行组合处理。在设计和优化环路滤波器和电荷泵锁相环的组合时，需要考虑它们之间的匹配度，以实现最佳的信号滤波效果、时钟跟踪精度和频率合成精度。设计过程中需要综合考虑多方面的因素，如噪声抑制、带宽、环路增益、相位检测器的选择等，以实现高效优化。
综上所述，环路滤波器和电荷泵锁相环的设计与优化需要综合考虑多方面的因素，如滤波器参数、锁相环架构、环路增益、阶数、带宽等。在组合设计和优化时，需要注意它们之间的匹配度，以实现最佳的信号滤波效果、时钟跟踪精度和频率合成精度。这些技术的优化和应用，为通信、雷达、测量等领域提供了新的途径和思路。5. 数字信号处理与应用
数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）是利用数字信号处理器或计算机等数字设备对数字信号进行数字化、预处理、滤波、变换、压缩等操作的技术。DSP技术在通信、图像处理、生物医学工程、音频信号处理等领域得到了广泛的应用。
5.1 DSP基本理论
DSP技术的基本理论包括采样、量化、处理、重建等。采样是模拟信号转换为离散信号的过程，量化是将连续的模拟信号转换为离散的数字信号的过程。数字信号处理需要对数字信号进行滤波、变换、压缩等操作，然后再对数字信号进行重建，转换为模拟信号输出。
5.2 DSP应用
5.2.1 通信
数字信号处理在通信领域得到了广泛应用，其中最具代表性的应用是数字信号调制和解调。数字信号调制方式包括单音频键控调制（FSK）、相移键控调制（PSK）和正交频分复用（OFDM）等。数字信号解调是将数字信号还原为原始模拟信号的过程，通常采用数字信号滤波器和相关器等技术实现。
5.2.2 图像处理
图像处理是DSP领域的另一个重要应用领域，包括高清晰度电视、数字摄像机、数字相机、数字图像处理等。通过数字图像处理技术，可以对图像进行去噪、滤波、变换、特征提取、图像理解等操作，从而提高图像的表现效果和识别精度。
5.2.3 生物医学工程
DSP技术在生物医学工程领域得到了广泛应用，如医学图像重建、医学信号处理、生信数据分析等。通过DSP技术可以对医学信号数据进行分析、处理，从而得到更加准确的医学诊断结果。
5.2.4 音频信号处理
音频信号处理是DSP常见的应用领域，主要包括音频采集、音频滤波、音频变换、音频解码等。音频信号处理技术广泛应
用于数字音频广播、磁带录音、CD播放等领域。
综上所述，DSP技术在通信、图像处理、生物医学工程、音频信号处理等领域得到了广泛的应用。随着数字化和信息化的不断深入，DSP技术将继续发展和创新，为各种领域的数字信号处理带来更加有效和高效的解决方案。
无源滤波器（PWPF）的设计 安装容量的确定 以下的例子为经过现场测量后，确定电谐士安装容量的一种设计思路，提供给各位参考：已知参数：相电压：220V 线电压：380V 线电流：1462A 有功功率：600 kW 无功功率：783 kvar 功率因数：0.6 5次谐波电流: 198A 7次谐波电流: 120A 11次谐波电流: 80A 电压谐波总畸变率:5.15% 要求:电谐士投运后，电网的谐波分量要低于GB/T14549-1993所规定的谐波电流允许值；供电系统功率因数达到0.9以上；整套装置的电器元件运行温升符合有关技术规范要求。 设计思路: 1.基波补偿容量 有功功率：600kW 功率因数：0.6 将功率因数提高到0.9以上，需要基波补偿容量： Q C1=P(tan?1－tan?2)=600kW(1.333-0.484)=510kvar 其中,cos?1＝0.6；cos?2＝0.9；tan?1 和tan?2 为相应的三角函数。 2.考虑谐波电流后安装容量 从测量数据可知, 线电流：1462A, 5次谐波电流: 198A; 7次谐波电流: 120A; 11次谐波电流: 80A 5次谐波电流在谐波电流中所占的百分比为: 198/(198＋ 120) ×100% ＝62.3% 7次谐波电流在谐波电流中所占的百分比为: 120/(198＋ 120) ×100% ＝37.7% 将上面第1点确定的基波补偿容量510kvar分别分配到5次、7次、11次滤波组，则：5次滤波组的基波补偿容量为：311 kvar 7次滤波组的基波补偿容量为：189kvar 现在计算5次滤波组的安装容量。依据上面的原则，分配给5次滤波组的基波补偿容量为：311kvar，又知5次谐波电流为198A。 311kvar的电容器连入380V的电网后，基波线电流为：
锁相环 一．基础理论 锁相环路(Phase Locked Loop)是一个闭环的相位控制系统，它的输出信号的相位能自动跟踪输入信号相 当)(1t ?θ与)(2t ?θ相等时，两矢量以相同的角速度旋转，相对位置，即夹角维持不变，通常数值又较小，这就是环路的锁定状态。 从输入信号加到锁相环路的输入端开始，一直到环路达到锁定的全过程，称为捕获过程。设系统最初进入同步状态[]ωθεεπ?±,2e n 的时间为a t 。那么从0t t =的起始状态到达进入同步状态的全部过程就称为锁相环路的捕获过程。捕获过程所需的时间0t t T a p -=称为捕获时间。显然，捕获时间p T 的大小不但与环路的参数有关，而且与起始状态有关。 对一定的环路来说，是否能通过捕获而进入同步完全取决于起始频差01)(ωθ?=? t e 。若0ω?超过某一范围，环路就不能捕获了。这个范围的大小是锁相环路的一个重要性能指标，称为环路的捕获带p ω?。 捕获状态终了，环路的状态稳定在 ωεθ??≤)(t e e e n t θεπθ≤-2)( (1-1) 这就是同步状态的定义。只要在整个变化过程中一直满足(1-1)式，那幺仍称环路处于同步状态。由上可知，在输入固定频率信号的条件之下，环路进入同步状态后，输出信号与输入信号之间频差等于零，相差等于常数，即 0)(=? ?t e θ =)(t e θ常数 这种状态就称为锁定状态。 锁相环路的组成 锁相环路为什幺能够进入相位跟踪，实现输出与输入信号的同步呢？因为它是一个相位的负反馈控制系统。这个负反馈控制系统是由鉴相器（PD ）、环路滤波器（LF ）和电压控制振荡器（VCO ）三个基本部件组成的，基本构成如图：
电荷泵锁相环的基础研究 随着科技的不断发展，各种电子设备如手机、电视、计算机等已成为人们日常生活和工作中不可或缺的工具。为了满足人们对电子设备性能和功能不断增长的需求，各种先进的信号处理技术和电路设计方法被引入到这些设备中。其中，电荷泵锁相环（Charge Pump Phase-Locked Loop，简称CP-PLL）是一种非常重要的技术，它在频率合成、相位跟踪和信号恢复等领域有着广泛的应用。本文将围绕电荷泵锁相环的基础研究展开讨论。 电荷泵锁相环的研究已经经历了数十年的发展历程。在国内外相关领域的研究中，理论研究和实验研究都取得了重要的进展。在理论方面，研究人员对电荷泵锁相环的相位检测、环路控制、输出调节等各个组成部分进行了深入的分析和建模，提出了一系列有效的算法和电路设计。在实验方面，科研人员通过精心设计的实验方案，验证了电荷泵锁相环在各种不同场景下的性能表现。 电荷泵锁相环是一种基于相位检测和环路控制技术的闭环控制系统。它通过将输入信号与参考信号进行相位比较，产生一个控制电压，用于调节振荡器的频率和相位，从而使输出信号与参考信号保持同步。相位检测是电荷泵锁相环的核心组成部分，它通过比较输入信号和反
馈信号的相位差，产生一个与相位差成正比的电流或电压。这个电流或电压作为控制信号输入到环路控制器中，用于调节电荷泵的工作状态。 环路控制器通常由一个运算放大器和一个电荷泵组成。运算放大器将相位检测器的输出信号进行放大，以产生足够的控制电压。电荷泵则将控制电压转化为电流，用于调节振荡器的频率和相位。 输出调节部分通常由一个低通滤波器和一个振荡器组成。低通滤波器用于滤除电荷泵产生的交流分量，只保留直流成分，从而使控制电压能够平滑地调节振荡器的频率和相位。振荡器则产生最终的输出信号，其频率和相位受控制电压调节。 本文采用文献调研和理论分析相结合的方法，对电荷泵锁相环的相关研究进行了深入的研究。通过查阅相关文献和专利，了解了电荷泵锁相环的国内外研究现状和发展趋势。对电荷泵锁相环的相位检测、环路控制、输出调节等各个组成部分进行了详细的分析和建模，建立了系统的数学模型。基于所建立的数学模型，对电荷泵锁相环的性能进行了模拟和预测，为后续实验设计和性能优化提供了重要的理论依据。本文在研究过程中，有以下几个创新点：
电荷泵锁相环的模型研究和电路设计 电荷泵锁相环的模型研究和电路设计 引言 随着现代电子技术的迅猛发展，时钟信号在各类电子设备中扮演着至关重要的角色。电荷泵锁相环（Charge Pump Phase-Locked Loop，CPPLL）是一种常见的时钟生成和频率合成技术。它通过控制电荷泵电路中的电荷传输来实现精确的时钟频率控制，广泛应用于通信、计算机等领域。本文将对电荷泵锁相环的模型研究和电路设计进行详细介绍。 一、电荷泵锁相环的模型研究 1. 电荷泵锁相环的基本原理 电荷泵锁相环的基本结构由相位比较器、电荷泵、低通滤波器和压控振荡器（Voltage Controlled Oscillator，VCO）组成。其工作原理可以简单地分为两个阶段：锁定阶段和跟踪阶段。 在锁定阶段，相位比较器将参考信号和反馈信号进行比较，并产生一个误差信号。电荷泵根据误差信号的大小和极性来控制电荷传输，通过改变电荷泵的输出电荷来调整反馈信号的相位。低通滤波器将电荷泵的输出信号滤波为直流电压作为VCO 的控制信号，进而调整VCO的频率。 在跟踪阶段，VCO输出的频率已经与参考信号的频率非常 接近。相位比较器仅用于微小的频率校正。这样就能稳定地生成与参考信号频率相同或相近的时钟信号。 2. 电荷泵锁相环的数学模型 为了更好地理解电荷泵锁相环的工作原理，我们需要建立其数学模型。
设参考信号的频率为f_r，VCO输出的频率为f_vco，电荷泵的传输系数为K_cp。根据反馈原理可得到以下关系式：f_r = f_vco + Δf 其中Δf为误差频率，表示参考信号与VCO输出频率的差值。 在锁定阶段，Δf较大，电荷泵通过调整电荷传输来减小Δf，即： Δf = -K_cp * V_cp V_cp为电荷泵的输出电压。 在跟踪阶段，Δf较小，所以按照一阶近似可以得到： Δf ≈ -K_cp * V_cp 3. 电荷泵锁相环的性能指标 电荷泵锁相环的性能指标主要包括相位噪声和锁定时间两个方面。 相位噪声指的是VCO输出的时钟信号的相位波动程度。相位噪声越小，说明时钟信号的稳定性越高。 锁定时间是指CPPLL从失锁状态转变为锁定状态所需的时间。较短的锁定时间有助于提高系统的响应速度。 二、电荷泵锁相环的电路设计 1. 相位比较器设计 相位比较器的设计是电荷泵锁相环的重要环节。常用的相位比较器包括边沿比较器、倍频器和相位频率检测器等。 边沿比较器通过比较参考信号和反馈信号的上升沿或下降沿来产生误差信号。倍频器是利用频率倍增原理将参考信号倍频后与反馈信号进行比较。相位频率检测器则是通过测量相位差和周波数差来产生误差信号。 2. 电荷泵电路设计
锁相环设计 锁相环路(PLL)通常由鉴相器(PD)、环路滤波器(LP)、压控振荡器(VCO)和可编程分频器组成，外部晶体振荡器经R分频产生的参考频率与VCO的输出频率经N分频后，在鉴相器中相位比较，产生误差控制电压，经环路滤波器滤除高频分量和噪声后，控制VCO产生所需振荡频率。 图1 锁相环的基本框图 锁相环路(PLL)和AGC电路一样，也是一种反馈控制电路。它是一个相位误差控制系统，是将参考信号与输出信号之间的相位进行比较，产生相位误差电压来调整输出信号的相位，以达到与参考信号同频率的目的，从而实现了对信号的频率漂移进行跟踪。在达到同频率的状态下，两个信号之间的稳定相差亦可做得很小。下面介绍锁相环工作的大致过程： 鉴相器是个相位比较装置。它把输入信号和压控振荡器的输出信号Uo(t)的相位进行比较，产生对应于两个信号相位差的误差电压Ue(t)。环路滤波器的作用是滤除误差电压、Ue(t)中的高频成分和噪声，以保证环路所要求的性能，增加系统的稳定性。压控振荡器受环路滤波器输出电压Uo(t)的控制，使振荡频率向参考频率靠拢，二者的差拍频率越来越低，使两者的频率相同、保持一个较小的剩余相差直至消除频差而锁定为止。在环路开始工作时，如果输入信号频率与压控振荡器频率不同，则由于两信号之间存在固有的频率差，它们之间的相位差就会一直变化，结果鉴相器输出的误差电压就在一定范围内变化。在这种误差电压的控制下，压控振荡器的频率也在变化。所以，锁相就是压控振荡器被一个外来基准信号控制，使得压控振荡器输出信号的相位和外来基准信号的相位保持某种特定关系，达到相位同步或相位锁定的目的。若压控振荡器的频率能够变化到与输入信号频率相等，在满足稳定性条件下就在这个频率上稳定下来。达到稳定后，输入信号和压控振荡器输出信号之间的频差为零，相差不再随时间变化，误差电压为一固定值，这时环路就进入“锁定”状态。这就是锁相环工作的大致过程。 下面以美国国家半导体公司的锁相芯片LMX2326进行说明。
cmos电荷泵锁相环的研究与设计 CMOS电荷泵锁相环的研究与设计 引言 现今社会中，电力的使用已经广泛地应用到各个方面。而在许多电路中，锁相环是重要的模块之一。因此，在设计和制造芯片的过程中，电荷泵锁相环技术被广泛应用。 本文旨在介绍CMOS电荷泵锁相环的研究与设计，主要包括锁相环的基本原理、电荷泵锁相环的研究现状、电荷泵锁相环的设计等内容。 锁相环的基本原理 锁相环主要由相频检测器、环路滤波器、电荷泵和振荡器等部分构成。其中，振荡器产生基准频率信号，相频检测器将输入信号和基准频率信号相比较后，得到误差电压，环路滤波器对误差电压做滤波处理，以便不影响锁相环的稳定性。电荷泵会将被滤波后的误差电压转化为电荷，并把电荷积累到电容上，从而驱动振荡器输出更加稳定的频率信号。 电荷泵锁相环的研究现状 电荷泵锁相环的研究已有多年的历史。早期的电荷泵锁相环由于技术限制，主要是使用单个电容和多个开关直
接控制电荷的流动。但随着半导体技术的发展，越来越多的新型电荷泵锁相环被设计出来了。 目前，一种新型的CMOS电荷泵锁相环被广泛研究和应用。这种锁相环的电荷泵采用了高速CMOS技术，能够在较短的时间内将电荷从一个电容传输到另一个电容，并在电容之间产生间歇性的开关，使电荷积累在电容上。相比之前的电荷泵锁相环，这种新型的锁相环不仅耗电量更低，也能更好地适应不同的频率。 电荷泵锁相环的设计 在进行电荷泵锁相环的设计时，需要考虑多个因素。首先是相频检测器的设计。一种常见的设计是利用多相相频检测器，可以提高锁相环的稳定性和精度。其次是环路滤波器的设计，主要是用于减小误差电压的波动，减轻电荷泵的负载，使系统更加稳定。 另外，电荷泵的设计也很重要。在设计电荷泵时，需要考虑它的时间响应、电容的大小和电荷的传输效率等因素。总体而言，电荷泵应该能够在最短的时间内将电荷传输到电容上，并且能够保证传输的电荷量不大不小，以免影响锁相环的稳定性。 结论 锁相环是一个重要的电路模块，在很多应用中都扮演着重要的角色。电荷泵锁相环是近年来比较热门的研究方
宽频率低抖动锁相环的研究与设计 摘要：为了达到宽频带和低抖动的频率输出，必须借助于高速传输系统。因此，需要实行一种可以有效管理环路带宽的策略以维护锁定频率，减少环路噪声并加快环路的锁定。即通过比较器模块，可以实现全局参考的调节功能，从而有效地比较控制电压和参考电压，并且可以根据需要调整环路参数，以缩短锁定时间，进而提升系统的性能。 关键词：宽频率；低抖动；锁相环；研究；设计 由于具有宽频带、低抖动、快速锁定等优势，锁相环已成为高速通信和电子传输系统的关键组成部分，并且受到了广泛的应用。本文提供的环路宽带校正方式能够优化相位锁定环的输出频段，以满足更低的抖动时钟需求。运用调节电路比较器部件，能够根据控制电压Vctrl和参照电压Vref的不同，调控各模块的电流，经过在各种频率范围内变化环路的带宽，能够提升锁定效率，减小相位锁定环产生的噪声。 一、锁相环的工作原理 1、基本工作原理 压控振荡器提出两个信号，一用于输出，另一进行相位对比，控制振荡器的相位差异，以保障振荡器频率的稳定性。若相位差异发生改动，PLLIC的电压输出会有对应的改变，进而影响VCO，直到相位差异重回正常，执行锁频功能。这种封闭电路能够确保振荡器的频率和相位与输入信号始终保持一致。 2、模拟锁相环工作原理 模拟锁相环的构成部分，包括压控振荡器、相位参考提取电路和控制电路，是实现锁相的主要因素，共同作用于控制信号的频率波动，以顺利完成锁相。压控振荡器输出的波动与目标频率相匹配，而相位参考提取电路则通过将其与输入
的基准信号进行比较产生误差，控制电路的功能则是将这些误差逐渐减小，由此 实现锁相，以达成同步的目标。 3、数字锁相环工作原理 数字锁相环的核心功能是对频率变动的电子设备进行监测，由一个相位参考 电路、一个晶体振动器、一个频率分割器、一个相位比较器和一个脉冲删除门构成。通过相位比较器将分频器产出的信号频率与预设频率进行对比，当本地频率 相对较高，可以采用脉冲删除门来抑制一个脉冲的输入，以此来降低系统的振荡 频率；反之，则可以在两个输入脉冲之间增加一个脉冲，从而实现更高效的同步。 二、宽频率低抖动锁相环的设计 1、压控振荡器电路 压控振荡器VCO作为锁相环的核心组件，肩负着确定工作频率范围的任务。 鉴于LC-VCO的尺寸较大，而且实际的频率要求较高，因此其调频范围较窄，我 们选择了环形VCO结构作为设计方案。同时，因为单端环形振荡器存在比较大的 噪声问题，在设计过程中选用了由三级差动延迟单元和偏置电路构成的可以减低 共模噪声的差动环形设计。 通过三级差分延迟单元的环形振荡器电路结构，可以实现一个有效的负反馈 机制，其中每一级的差分都不超过3。采用N级延迟单元构建的环形振荡器电路，为获得较高的震荡频率，需要对功耗、面积等多个因素进行综合考虑，以使延时 单元的级数N不过大。 2、鉴频鉴相器电路（PFD） 锁相环的核心组成部分鉴频鉴相器，其主要功能是检测参考时钟与反馈时钟 的相位变化，产生出一种和相位差现行比例相关的归一化窄脉冲电压信号，进而 去操控电荷泵的充电和放电开关。明显存在的不良现象就是"死区"，即无输出反 应情况，这时环路会呈现出一种误导性的锁定现象。在本文中，选用的鉴相器电 路为三态鉴频结构，鉴相范围为-2π-2π，拥有捕获范围广泛，电路简洁等优点。该主电路由两个D触发器和一个延时复位回路组成，其中四个输入和一个非门的
创新课题设计报告 题 目： 锁相环路滤波器的设计 南昌航空大学信息工程学院 20 11 年 10 月 26日 姓 名： 梁勇 专 业： 通信工程 班级学号： 08042135 指导教师： 刘敏
通信工程专课程设计任务书 20 10－20 11 学年第 2 学期第 1 周－ 20 周 题目锁相环滤波器的设计 内容及要求 抑制鉴相器输出电压中的载频分量和高频噪声，降低由压控振荡器控制电压不纯而引起的寄生输出。采用无源滤波器可以达到电路结构简单、低噪声、高稳定度的目的。由于上次设计的无源滤波器仿真效果不理想，老师让我们改做有源滤波器。 学生姓名：梁勇 指导时间指导地点：E楼 408 室任务下达20 11年 6月 13 日任务完成2011年 7 月 8 日 考核方式 1.评阅□ 2.答辩□ 3.实际操作□ 4.其它□ 指导教师刘敏系（部）主任 注：1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。 2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。
摘要 滤波器在通信中经常用到的一个模块，具有成熟的设计理论，一个好的滤波器能让整个电路的效果更为清晰、直观，因而对信号的要求直接体现在滤波器上。滤波效果影响到整个电路的好坏，不同功能的滤波器能让信号跟着要求走，使设计理想。 此次设计的二阶有源低通滤波器能够过滤不需要的载频分量和高频噪声，可以有效 的抑制压控震荡引起的寄生输出。 关键字：滤波器效果有源
目 录 第一章 题目要求与方案论证 ............................................................................................. 5 1.1 题目要求 ............................................................................................................. 5 1.2 方案论证 ............................................................................................................. 5 1.3 工作原理 ............................................................................................................. 6 第二章 电子线路设计与仿真 ............................................................................................. 8 2.1 设计思路 ........................................................................................................... 8 2.2 参数选择 ........................................................................................................... 8 2.2 二阶有源低通滤波器 ........................................................................................ 8 第三章 结果与分析 .............................................................................................................. 10 第四章 心得体会 .................................................................................................................. 12 参考文献 .................................................................................................................................... 13 附录 芯片资料 .. (14)
Matlab锁相环环路滤波器计算 一、概述 锁相环（PLL）是一种控制系统，通常用于追踪和锁定输入信号的相位和频率。锁相环系统由相位比较器、环路滤波器、电压控制振荡器（VCO）和分频器组成。其中，环路滤波器在锁相环系统中起着至关重要的作用，它用于平滑和调节VCO的控制电压，以确保锁相环系统稳定工作。 二、环路滤波器计算 环路滤波器通常由一个低通滤波器构成，用于滤除VCO输出的高频噪声，并且在锁相环系统中起到提高系统稳定性和抑制震荡的作用。在Matlab中，可以通过以下步骤进行锁相环环路滤波器的计算： 1. 确定环路滤波器的类型（如一阶低通滤波器、二阶低通滤波器等）和参数（如截止频率、增益等）。根据具体的系统要求和性能指标，选择合适的滤波器类型和参数。 2. 在Matlab中，可以使用filter函数来实现环路滤波器的计算。可以定义滤波器的传递函数H(z)，并利用filter函数对输入信号进行滤波处理。可以利用freqz函数对滤波器的频率响应进行分析和评估。 3. 对于复杂的锁相环系统，可以考虑使用Simulink工具箱进行环路滤
波器的建模和仿真。Simulink提供了丰富的信号处理模块和仿真环境，可以方便地进行锁相环系统的设计、调试和优化。 三、环路滤波器设计注意事项 在进行锁相环环路滤波器计算的过程中，需要注意以下几个方面的设 计要点： 1. 确定滤波器的截止频率和带宽：根据锁相环系统的频率特性和稳定 性要求，选择合适的截止频率和带宽，以平衡相位延迟和抖动的性能 指标。 2. 考虑滤波器的裙延迟和相位失真：在实际系统设计中，需要考虑滤 波器的裙延迟和相位失真对系统稳定性的影响，尽量降低相位延迟和 失真，以确保锁相环系统的性能。 3. 考虑VCO的控制电压范围：在设计环路滤波器时，需要考虑VCO 的控制电压范围和动态范围，以确保滤波器对VCO控制电压的平滑调节和响应。 4. 考虑环路滤波器对系统稳定性的影响：在整个锁相环系统中，环路 滤波器的稳定性和抑制震荡的能力是至关重要的，因此需要对滤波器 的频率响应和动态特性进行充分的分析和评估。
无源滤波器的设计及仿真研究 一、无源滤波器的设计原理 1.RC滤波器 RC滤波器是通过电容和电阻的组合来实现信号的滤波。它可以分为低通滤波器和高通滤波器两种类型。 低通滤波器的原理是通过电容对高频信号进行短路，使其无法通过。其截止频率可以通过选择合适的电容和电阻数值来确定。当频率小于截止频率时，电容的电抗很小，相当于短路，信号可以通过；当频率大于截止频率时，电容的电抗很大，相当于开路，信号被阻断。 高通滤波器的原理是通过电容对低频信号进行开路，使其无法通过。其截止频率也可以通过选择合适的电容和电阻数值来确定。当频率大于截止频率时，电容的电抗很小，相当于短路，信号可以通过；当频率小于截止频率时，电容的电抗很大，相当于开路，信号被阻断。 2.RL滤波器 RL滤波器是通过电感和电阻的组合来实现信号的滤波。与RC滤波器类似，RL滤波器也可以分为低通滤波器和高通滤波器两种类型。 低通滤波器的原理是通过电感对高频信号进行开路，使其无法通过。其截止频率可以通过选择合适的电感和电阻数值来确定。当频率小于截止频率时，电感的电抗很大，相当于开路，信号被阻断；当频率大于截止频率时，电感的电抗很小，相当于短路，信号可以通过。 高通滤波器的原理是通过电感对低频信号进行短路，使其无法通过。其截止频率也可以通过选择合适的电感和电阻数值来确定。当频率大于截
止频率时，电感的电抗很小，相当于短路，信号可以通过；当频率小于截 止频率时，电感的电抗很大，相当于开路，信号被阻断。 二、无源滤波器的仿真研究 在进行无源滤波器的仿真研究时，需要首先确定所需的截止频率和滤 波器类型。然后，选择合适的电容和电感数值，并计算所需的电阻数值。 接下来，使用电路仿真软件建立滤波器电路。在建立电路时，需要注 意元件的连接方式和参数的设定。根据滤波器的类型选择合适的连接方式，并设定元件的数值。 完成电路搭建后，可以进行仿真分析。通过输入不同频率的信号，观 察输出信号的幅频特性和相频特性，判断滤波器的工作性能是否符合要求。如果需要调整滤波器的性能，可以修改电容和电感的数值，重新进行仿真 分析，直到满足设计要求为止。 三、总结 无源滤波器的设计可以通过电路仿真软件进行，首先确定截止频率和 滤波器类型，然后选择合适的电容和电感数值，并计算所需的电阻数值。 建立滤波器电路后，进行仿真分析，观察输出信号的幅频特性和相频特性，调整电容和电感的数值，直到满足设计要求。 综上所述，无源滤波器的设计及仿真研究是一项重要的电路设计工作，可以用于滤波器的性能评估和优化。
锁相环环路滤波器系数计算 锁相环（Phase-Locked Loop, PLL）是一种广泛应用于通信系统、时钟同步、频率合成等领域的电子电路。而锁相环环路滤波器是锁相环中的重要组成部分，用于实现信号的滤波和抑制噪声。本文将从锁相环环路滤波器的系数计算方法入手，详细介绍其原理和应用。 锁相环环路滤波器的设计目标是通过滤波器对输入信号进行滤波，使得输出信号的频率和相位与参考信号保持一致。在锁相环中，环路滤波器通常采用低通滤波器的形式，用于滤除高频噪声和抑制输入信号的高频分量。 锁相环环路滤波器的系数计算主要包括滤波器的阶数、截止频率和滤波器类型等方面。首先，确定滤波器的阶数，即滤波器的自由度。一般来说，阶数越高，滤波器的性能越好，但计算复杂度也会增加。根据实际需求和资源限制，选择适当的滤波器阶数。 确定滤波器的截止频率。截止频率是指滤波器开始起作用的频率，通常用于抑制输入信号中的高频分量。截止频率的选择应根据系统的频率范围和带宽要求进行，一般需要根据具体应用场景进行调整。 确定滤波器的类型。常见的滤波器类型包括巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、椭圆滤波器等。不同的滤波器类型具有不同的频率响应特性，如通带波纹、阻带衰减等。根据具体应用需求和性能要求，选择合适的滤波器类型。
在锁相环环路滤波器的系数计算中，常用的方法包括频率抽样法和脉冲响应法。频率抽样法是一种基于频域的计算方法，通过对输入信号和滤波器的频谱进行采样和计算，得到滤波器的系数。脉冲响应法是一种基于时域的计算方法，通过对输入信号和滤波器的脉冲响应进行卷积运算，得到滤波器的系数。 在实际应用中，锁相环环路滤波器的系数计算需要考虑多种因素，如噪声抑制能力、滤波器的稳定性和计算复杂度等。为了满足不同应用场景的需求，可以根据具体情况进行参数调整和优化。 除了滤波器系数的计算，锁相环环路滤波器的设计还需要考虑其他因素，如锁定范围、锁定时间和抗干扰能力等。锁相环环路滤波器的设计是一个综合考虑多个因素的工程问题，需要结合具体应用场景和系统需求进行。 总结起来，锁相环环路滤波器是锁相环中的重要组成部分，用于实现信号的滤波和抑制噪声。在设计锁相环环路滤波器时，需要考虑滤波器的阶数、截止频率和滤波器类型等因素，并根据具体需求进行参数调整和优化。锁相环环路滤波器的设计是一个综合考虑多个因素的工程问题，需要结合具体应用场景和系统需求进行。通过合理设计和计算，可以实现锁相环环路滤波器的性能优化，提高系统的稳定性和抗干扰能力。
一、锁相环环路计算的基本原理 锁相环（PLL）是一种控制系统，它可以跟踪并锁定一个输入信号的相位和频率。它通常包括一个相位比较器、一个数字控制环路滤波器、一个控制电压示数器和一个振荡器。锁相环环路计算就是指计算和分析锁相环系统的环路参数，以实现系统设计和优化。 锁相环环路计算在数字信号处理、通信系统、雷达和仪器仪表等领域都有着广泛的应用。在锁相环设计过程中，环路计算可以帮助工程师确定合适的环路带宽、相位裕度以及滤波器设计等参数，从而实现系统对输入信号的准确跟踪和稳定锁定。 二、锁相环环路计算的基本步骤 1. 确定锁相环的工作频率范围和精度要求。根据系统的应用需求和输入信号的特性，确定锁相环所需的频率范围和频率精度，这将指导锁相环环路的设计和计算。 2. 分析环路的稳定性和性能指标。通过传递函数、脉冲响应和频率特性等分析方法，对锁相环环路的稳定性、相位裕度、噪声抑制和跟踪性能等指标进行评估和分析，为后续的计算和优化提供基础。 3. 计算环路滤波器的参数。根据系统的稳定性要求和性能指标，计算
锁相环环路滤波器的参数，包括带宽、阶数、极点位置和增益等，以 实现对输入信号的精确跟踪和稳定锁定。 4. 优化振荡器的设计参数。选择合适的振荡器类型、频率范围和相位 噪声等参数，结合锁相环环路的设计要求进行优化，确保锁相环系统 的性能达到最佳状态。 5. 模拟仿真和实际测试。利用matlab等工具进行锁相环环路计算的 模拟仿真，验证设计参数的有效性和系统性能的稳定性，然后进行实 际测试和调试，对系统进行进一步优化和改进。 三、matlab在锁相环环路计算中的应用 matlab是一种强大的数学建模和仿真工具，它在锁相环环路计算中有着广泛的应用。通过matlab工具箱中的控制系统工具箱和信号处理工具箱，可以方便地进行锁相环环路的建模、分析和计算，为系统设计 和优化提供有效的支持。 matlab提供了丰富的控制系统函数和工具，可以实现锁相环环路的传递函数建模、频率响应分析、环路稳定性评估和性能指标计算等功能。matlab还提供了丰富的信号处理函数和工具，可以实现锁相环系统中信号采样、数字滤波、频谱分析等功能，帮助工程师理解和优化锁相 环环路的性能。
一种集成在DC-DC芯片中的电荷泵锁相环设计 李容容 【摘要】设计了一种集成在DC-DC芯片中的电荷泵锁相环.其中鉴频鉴相器(PFD)在传统的D触发器结构的基础上增加了复位延迟电路的延迟时间,减小了鉴相“死区”;电荷泵采用充放电电流对称的源极开关结构,解决了电流失配和电荷注入作用 的影响;另外,设计了一种可编程的由D触发器构成的分频器电路.基于CMOS工艺,采用Cadence仿真软件对其进行仿真,结果表明该电荷泵锁相环在锁定时间、频率范围、相位抖动等方面均达到了指定的性能需求,且工作特性较好.其性能指标是:电源电压2.4V,频率调节范围250～750 kHz,锁定时间＜50 μs,相位抖动＜30 ns.【期刊名称】《电子科技》 【年(卷),期】2016(029)008 【总页数】4页(P25-27,144) 【关键词】DC-DC;PLL;PFD;电荷泵;可编程分频器 【作者】李容容 【作者单位】西安电子科技大学电路CAD研究所,陕西西安710071 【正文语种】中文 【中图分类】TN86 随着集成电路技术以及半导体工艺的快速发展，电源管理类芯片已广泛应用到通信、计算机、电子等领域[1]。其中具有同步功能的DC-DC转换器可实现多块控制芯 片的多相协同工作，提高负载驱动能力，适用于多相分布式电源管理系统[2-3]。
本文所设计的电荷泵锁相环就集成在一款同步、多相DC-DC变换器中。 如图1所示，锁相环是一个负反馈系统，在反馈回路中压控振荡器的输出被分频 器分频(1/N倍)到低频后，通过鉴相器和参考时钟比较产生相位差值信号，接着相差信号在前向通道中通过电荷泵和环路滤波器处理产生电压信号，控制压控振荡器产生频率，然后这个频率经过N分频后，又被送入PFD和输入参考时钟进行比较，最终在环路的调试下，使得内部时钟的相频与外部同步。注意，压控振荡器的输出时钟的频率是输入参考时钟频率的N倍[4-5]。 2.1 鉴频鉴相器 电路具体工作原理是：当外部时钟fref的下降沿脉冲先到来时，up信号输出低电平，此时down也是低电平，电荷泵上管开关被打开，电路开始充电；当内部反 馈时钟信号clk的脉冲下降沿到来时，复位信号rest变为低电平，使得up信号变为高电平，down信号依旧为低电平，电荷泵关闭，rest恢复到初始高电平，这就完成了一个鉴相周期。 为克服鉴相死区的问题，设计时在复位单元后面加入了三级反相器串联来增加延迟时间，这样能够增加复位信号脉冲的宽度，达到减小鉴相死区的目的。虽这样做可减小相位死区，但复位脉冲宽度过大同样会引起非理想现象发生，所以设计时在保证能够减小鉴相死区的前提下，尽可能减小复位脉冲的宽度，保证PFD的线性度[6-7]。 2.2 电荷泵与环路滤波器 电荷泵采用单端输出的源极开关结构，使得输出端与开关管没有直接连接，这可减弱开关管导通或关断时引入的电荷注入和电荷分流问题[8]。此外，电流源的对称 式结构设计，有利于改善电路的匹配特性，从而很好地抑制电流失配和电荷注入现象，减小系统对数字信号跳变的敏感程度，同时也降低了控制电压的抖动[9]。 此电路有4种工作状态：(1)up为低电平，down也为低电平，电荷泵上管打开，