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：
针对电荷泵锁相环的相位检测算法进行了深入的研究和分析，提出了一种新型的相位检测方案，具有更高的检测精度和更低的功耗。
在环路控制部分，提出了一种自适应控制策略，能够根据系统状态自适应调整电荷泵的工作点，从而在保持系统性能的同时降低能耗。
在输出调节部分，提出了一种低通滤波器与振荡器相结合的设计方法，能够在保证系统性能的同时减小滤波器对系统稳定性的影响。
电荷泵锁相环作为一种重要的信号处理技术，在许多领域都有着广泛的应用前景。例如，在通信系统中，可以利用电荷泵锁相环实现载波恢复和信号跟踪；在频率合成器中，可以利用电荷泵锁相环产生高精度、高稳定的频率信号；在音频系统中，可以利用电荷泵锁相环实现音频信号的解调和分析。随着科技的不断进步和应用需求的增长，电荷泵锁相环的研究将不断深入，其应用领域也将越来越广泛。
本文对电荷泵锁相环的基础研究进行了深入的探讨，从技术原理、研究方法到应用前景等方面进行了全面的分析。通过研究，我们提出了一种新型的相位检测算法、自适应控制策略和低通滤波器与振荡器相结合的设计方法，为电荷泵锁相环的性能提升和优化提供了重要的思路。本文也指出了电荷泵锁相环研究中存在的一些问题和挑战，为后续的研究提供了参考。
随着电荷泵锁相环在各个领域的广泛应用和研究的不断深入，我们相信未来关于电荷泵锁相环的研究将更加注重系统性能的提升和优化，同时涉及的领域也将越来越广泛。未来研究方向可以包括：提高电荷泵锁相环的频率范围和跟踪速度、优化相位检测算法以降低功耗和提高精度、探索新的控制策略以实现更高效的能源管理、以及拓展电荷泵锁相环在物联网、等领域的应用等。这些研究方向将对电荷泵锁相环的发展和应用产生深远的影响，同时也将对电子设备和系统的性能提升和优化起到积极的推动作用。
本文将介绍一种基于Matlab环境下的全数字锁相环仿真模型，并通过对锁相环路的原理、硬件电路设计以及软件实现等方面进行详细阐述，说明该模型在模拟和仿真锁相环路方面的应用和优势。
锁相环路是一种用于相位同步的控制系统，它具有自动跟踪输入信号相位的能力，并能够使输出信号的相位与输入信号的相位保持一致。锁相环路主要由鉴相器、低通滤波器、电压控制振荡器等组成。鉴相器用于检测输入信号和输出信号之间的相位差异，低通滤波器用于滤除高频噪声，电压控制振荡器则根据鉴相器的输出调整振荡频率，从而使得输出信号与输入信号相位保持一致。
在全数字锁相环仿真模型的硬件电路设计中，我们采用基于模拟电路
的实现方式，使用运算放大器、电阻、电容等元件组成各个部件。其中，鉴相器采用模拟乘法器来实现，低通滤波器则由电阻和电容构成。电压控制振荡器的实现较为复杂，我们通过使用运算放大器搭建负反馈放大器，并利用RC网络进行选频，以实现振荡频率的控制。
在全数字锁相环仿真模型的软件实现中，我们采用Matlab编程来实现。具体地，我们首先需要对锁相环路的参数进行设置，包括鉴相器、低通滤波器、电压控制振荡器的参数。然后，我们需要根据锁相环路的原理，建立起各个部件的数学模型，并编写相应的程序代码。在程序中，我们需要通过对输入信号进行采样，获取输入信号的相位信息，并通过计算得出输出信号的相位。同时，我们还需要利用低通滤波器对采样信号进行滤波处理，以滤除高频噪声。我们需要通过电压控制振荡器来调整振荡频率，从而使输出信号与输入信号的相位保持一致。为了验证全数字锁相环仿真模型的有效性，我们对该模型进行了仿真测试。在仿真过程中，我们首先设置输入信号的相位为45度，并通
过改变电压控制振荡器的参数，使输出信号的相位与输入信号的相位保持一致。仿真结果表明，在Matlab环境下，全数字锁相环仿真模
型能够快速、准确地跟踪输入信号的相位，证明了该模型的可行性和实用性。
本文所介绍的全数字锁相环仿真模型基于Matlab环境实现，通过对锁相环路的原理、硬件电路设计以及软件实现等方面进行详细阐述，说明该模型在模拟和仿真锁相环路方面的应用和优势。通过使用该模型，我们可以快速、准确地实现对锁相环路的模拟和仿真，为锁相环路的研究和应用提供了极大的便利。该模型还可以广泛应用于其他领域，具有很高的实用价值和使用价值。
三相电力系统的稳定运行和高效能利用一直是电力电子技术领域的
热点问题。其中，锁相环（PLL）作为一种重要的电力控制技术，可以有效提高电力系统的稳定性和效率。而基于dq变换的三相软件锁相环设计，能够适应现代电力系统的复杂性和不确定性，具有广泛的应用前景。
在三相软件锁相环设计中，我们通过dq变换将三相电压或电流转化为两相坐标系，以便于进行相位和幅值的控制。具体设计思路如下：相位计算：通过三相到两相的dq变换，将三相电压或电流转化为dq 坐标系下的直交分量，并计算出相位差。
实现细节：在实现过程中，我们需要根据实际情况选择适当的dq变换方法和控制策略。同时，需要注意变换过程中的角度和电流的符号，以便于进行正确的反向变换。
代码实现：在代码实现中，我们需要根据所选的控制策略和dq变换方法编写相应的程序。具体实现可以参考相关的文献资料和现有的开源代码。
为了验证基于dq变换的三相软件锁相环设计的可行性和优越性，我们进行了一系列实验。实验结果表明，该设计具有良好的稳定性和误差控制能力。其中，稳定性测试表明，即使在电力系统出现较大波动的情况下，基于dq变换的三相软件锁相环仍能保持稳定的跟踪性能。误差分析表明，该设计的误差主要来源于dq变换的精度和数字信号处理器的有限分辨率。
本文介绍了基于dq变换的三相软件锁相环设计原理、实现方法和实验结果。实验结果表明，该设计具有良好的稳定性和误差控制能力，具有广泛的应用前景。基于dq变换的三相软件锁相环设计能够适应现代电力系统的复杂性和不确定性，对于提高电力系统的稳定性和效率具有重要的意义。未来，我们可以进一步优化dq变换方法和控制策略，提高三相软件锁相环的跟踪性能和鲁棒性，为电力系统的稳定运行和高效能利用提供更强大的支持。
基于电荷泵锁相环的有源环路滤波器的设计 刘健余 【摘要】Loop filter is a key module of the phase-locked loop,it often uses active filter to tune the broadband high-voltage VCO.The paper discusses the basic principles of charge-pump phase-locked loop,then analyzes the structure of the active loop filter and the effects of filter to PLL performance,and derivates the design methods of an active loop filter parameters.The third-order active loop filter is designed according to the subject,and simulated the phase-locked loop system performance using ADS tools,the results coincide with the theory.The experimental results show that the designed filter can satisfy the requirements of the subject,and verify the correctness of this method.%环路滤波器是锁相环中的一个关键模块,对宽带高压VCO进行调谐时,常采用有源滤波器。在论述了电荷泵锁相环基本原理的基础上,对有源环路滤波器的结构以及滤波器对锁相环性能的影响进行了分析,推导出有源环路滤波器参数的设计方法。根据课题设计了三阶有源环路滤波器,用ADS工具对锁相环系统性能进行仿真,仿真结果与理论相吻合。实验结果表明,所设计的滤波器满足了课题的要求,验证了本方法的正确性。 【期刊名称】《山西电子技术》 【年(卷),期】2012(000)003 【总页数】4页(P13-15,29) 【关键词】电荷泵锁相环;有源环路滤波器;相位裕度;环路带宽
数字电视调谐器中鉴频鉴相器与电荷泵的研究与设 计 伴随着科技的突飞猛进，锁相技术的理论研究和实际应用出现了蓬勃发展的局面。由于电视机高频调谐器的本机振荡器是由LC振荡电路所组成的，存在很多的缺点。所以要采用锁相环(Phase-Locked Loop，PLL)技术对本机振荡器的输出波形进行自动跟踪、控制，使得系统具有较高的稳定度及较宽的频率调节范围。由锁相环组成的频率合成器一般由本振、固定分频器、可编程分频器、鉴相器和低通滤波器构成，其中鉴相器是由鉴频鉴相器和电荷泵组成的数字式鉴相器。本文仅对鉴频鉴相器和电荷泵进行深入分析与研究，提出一种高性能的电路结构，并对两者的版图进行了设计。其主要内容如下：论文首先介绍锁相环的基本原理。系统阐述锁相环的工作原理，分析锁相环路的主要性能，通过对电荷泵锁相环的介绍深入分析鉴相器、电荷泵对系统性能的影响。具体而言，鉴相器作为高度非线性的器件，它对系统的影响主要表现在两个方面：一是输入信号的泄漏，二是对输入增加噪声；电荷泵对系统性能的影响主要是由于电荷泵的非理想性造成的，表现为其漏电流和不匹配对杂散水平的影响，从而说明设计高性能鉴相器、电荷泵的重要意义。鉴频鉴相器最突出的作用是它能显著的加快锁相环的速度，增大锁相环的捕获范围。论文通过对国内外各种PFD电路结构性能的综合分析与比较，采用三态鉴相器的结构，并对传统的三态鉴相器进行改进：这里的D触发器是由动态D触发器改进的，通过将输入与输出路径缩短的方法，使速度得到提高；通过在反馈回路增加延时的方法来消除鉴相器存在鉴相死区的问题；在输出端增加延时单元与互补传输门，从而得到稳定、延时时间相同的输出信号。电荷泵的主要功能是将鉴频鉴相器输出的数字信号Up和Down转换成连续的模拟信号。通过对各种类型适用情况的分析与比较，选用差分输入单端输出的正反馈互补型结构，这种结构是从一种新型的采用电流控制技术的电荷泵结构改进得到的。给出正反馈互补型电荷泵电路的仿真结果，从瞬态分析可以看出，不管是上拉还是下拉的电流都很稳定，输出电压也很稳定，没有电压跳变；而且由于电路采用正反馈技术，使得电荷泵充放电所需要的时间缩短。最后，介绍版图设计的流程与CMOS基本工艺；重点分析版图设计所应注意的问题，并且给出一些预防和解决上述问题的措施；基于鉴频鉴相器与电荷泵的电路结构及性能要求，对其版图进行设计。
锁相环原理以及倍频/分频实现 A phase-locked loop (PLL) is a closed-loop frequency-control system based on the phase difference between the input clock signal and the feedback clock signal of a controlled oscillator. Figure 1 shows a simplified block diagram of the major components in a PLL. The main blocks of the PLL are the phase frequency detector (PFD), charge pump, loop filter, voltage controlled oscillator (VCO), and counters, such as a feedback counter (M), a pre-scale counter (N), and post-scale counters(C). 注.锁相环是一种基于输入信号与输入信号反馈给振荡控制器的信号之间的相位差的闭环频率控制系统.图1 展示了锁相环的基本原理框图。图中的PLL主要由鉴相器（PFD），电荷泵，回路滤波器，压控振荡电路（VCO）,计数器（反馈技术器M，预分频技术器N，后分频C）. Figure 1. Block Diagram of a PLL PLLs in Altera? FPGAs align the rising edge of the reference input clock to a feedback clock using the PFD. The falling edges are determined by the duty-cycle specified by the user. The PFD detects the difference in phase and frequency between the reference clock and feedback clock inputs and generates an “up” or “down” control signal based on whether the feedback frequency is lagging or leading the reference frequency. These “up” or “down” control signals determine whether the VCO needs to operate at a higher or lower frequency, respectively. 注.Altera FPFG 芯片内的PLL中,在每个参考时钟的上升沿将通过鉴相器(PFD) 产生一个反馈时钟信号.由用户指定的占空比来决定时钟的下降沿.PFD检测参考时钟与反馈时钟之间的频率差以及相位差并产生”up”或”down”的控制信号.这个控制信号表征着反馈信号是超前还是落后于参考时钟信号.这两种不同的信号决定着压控振荡器(VCO)是否需要提高频率或者降低频率. The PFD outputs these “up” and “down” signals to a charge pump. If the charge pump receives an up signal, current is driven into the loop filter. Conversely, if it receives a down signal, current is drawn from the loop filter. 注.PFD产生的”up”,’’down”将输出给电荷泵,如果电荷泵接收到的是”up”信号,电流将进入环路滤波.相反的将从环路滤波器中吸取电流.
高性能数字锁相环高层次模型及电路技术研究锁相环(Phased Locked Loop,PLL)是一种能够高效地对一定频率的信号的相位进行跟踪的负反馈控制闭环系统。近些年来,随着数字电路的迅猛发展,数字锁相环电路作为其中的重要组成部分得到了快速的发展和广泛的应用。相比于传统模拟锁相环,数字锁相环有更快的锁定时间、更好的稳定性、更佳的抗干扰能力以及易于移植。因此本文通过研究全数字锁相环的相关技术,建立高层次系统仿真模型并电路实现。本文主要工作内容:(1)分析了锁相环的工作原理和数学模型,采用Matlab仿真工具,由顶层到底层、模块化的实现方法,对电荷泵锁相环进行了建模和仿真验证,研究了相关参数对锁相环性能的影响。(2)分析了全数字锁相环(All digital Phased Locked Loop,ADPLL)的工作原理与电路技术,对比例积分结构的全数字锁相环的各个模块建立数学模型,推导了基于比例积分全数字锁相环的系统模型。仿真及验证了数字锁相环整体模型,研究了关键参数对锁相环性能的影响,仿真结果表明了基于比例积分控制的数字锁相环的锁定速度快和动 态响应好的特点。(3)基于高层次模型,采用比例积分策略的控制方式实现了高性能全数字锁相环,在改变输入频率的情况下,可以通过调 整环路模块中的比例积分参数,使锁相环进行锁定,拓宽了频率跟踪 的范围。基于Quartus II软件完成了数字鉴相器、数字滤波器、数控振荡器以及整体结构的设计,编译和综合,完成了对该电路各个模 块以及整体的功能仿真及分析。在FPGA开发平台上完成硬件测试, 由于开发平台CMOS数据接口对输入输出频率的限制,论文重点在输
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：
1．1 锁相环的发展及国内外研究现状 锁相环(PLL-Phase Locked L00P)是自动频率控制和自动相位控制技术的融合。人们对锁相环的最早研究始于20世纪30年代，其在数学理论方面的原理，30年代无线电技术发展的初期就己出现。1930年建立了同步控制理论的基础，1932年法国工程师贝尔赛什(Bellescize)发表了锁相环路的数学描述和同步检波论，第一次公开发表了对锁相环路的数学描述【1】。锁相技术首先被用在同步接收中，为同步检波提供一个与输入信号载波同频的本地参考信号，同步检波能够在低信噪比条件下工作，且没有大信号检波时导致失真的缺点，因而受到人们的关注，但由于电路构成复杂以及成本高等原因，当时没有获得广泛应用。 到了1943年锁相环路第一次应用于黑白电视接收机水平同步电路中，它可以抑制外部噪声对同步信号的干扰，从而避免了由于噪声干扰引起的扫描随机触发使画面抖动的象，使荧光屏上的电视图像稳定清。随后，在彩色电视接收机中锁相电路用来同步彩色脉冲串。从此，锁相环路开始得到了应用，迅速发展。 五十年代，随着空间技术的发展，由杰费(Jaffe)和里希廷(Rechtin)研制成功利用锁相环路作为导弹信标的跟踪滤波器，他们第一次发表了含有噪声效应的锁相环路线性理论析文章，并解决了锁相环路最佳设计化问题【2】。空间技术的发展促进了人们对锁相环路及其理论的进一步探讨，极大地推动了锁相技术的发展。 六十年代初，维特比(Viterbi)研究了无噪声锁相环路的非线性理论问题，发表了相干通信原理的论文。最初的锁相环都是利用分立元件搭建的，由于技术和成本方面的原因，所以当时只是用于航天、航空等军事和精密测量等领域。集成电路技术出现后，直到1965年左右，随着半导体技术的发展，第一块锁相环芯片出现之后【3】，锁相环才作为一个低成本的多功能组件开始大量应用各种领域。最初的锁相环是纯模拟的(APLL)，所有的模块都由模拟电路组成，它大多由四象限模拟乘法器来构建环路中的鉴相器，环路滤波器为低通滤波器(由电阻R电容C组成)，压控振荡器的结构多种多样。由于APLL在稳定工作时，各模块都可以认为是线性工作的，所以也称为线性锁相环LPLL(Linear Phase．hckedbop)。APLL对正弦特性信号的相位跟踪非常好，它的环路特性主要由鉴相器的特性决
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
锁相环电荷泵电荷注入效应 一、引言 随着现代电子技术的飞速发展，锁相环（PLL）作为一种关键的信号处理单元，在通信、雷达、导航等领域具有广泛的应用。其中，电荷泵是PLL的重要组成部分，其性能的优劣直接影响到PLL的整体性能。然而，电荷泵在工作过程中，会受到电荷注入效应的影响，导致PLL性能的下降。因此，研究电荷注入效应及其抑制方法具有重要意义。本文将深入探讨电荷泵的工作原理与非线性特性、电荷注入效应的影响以及抑制电荷注入效应的方法。 二、电荷泵的工作原理与非线性特性 电荷泵是PLL中的重要组成部分，其工作原理基于电荷的积累和传递。在PLL中，电荷泵通过比较参考信号和反馈信号的相位差，产生相应的电流或电压，用于控制VCO的输出频率。当参考信号的相位快于反馈信号时，电荷泵产生正电流向VCO的调谐电容充电；反之，当参考信号的相位慢于反馈信号时，电荷泵产生负电流从VCO的调谐电容中抽取电荷。 然而，在实际应用中，由于电荷泵电路的非线性特性，会产生电荷注入效应，对PLL的性能产生不利影响。因此，了解和掌握电荷泵的非线性特性是研究电荷注入效应的关键。 三、电荷注入效应的影响 电荷注入效应是指电荷泵在工作过程中，由于电路的非线性特性，产生的多余电荷注入到VCO的调谐电容中，导致VCO的输出频率发生变化，从而影响PLL的性能。具体来说，电荷注入效应会导致以下问题：
1.输出频率偏移：由于多余电荷的注入，VCO的调谐电容发生变化，导致VCO的输出频率偏离期望值。 2.相位噪声增加：由于输出频率的偏移，PLL的锁定时间延长，导致PLL 的相位噪声增加。 3.动态范围减小：在通信系统中，PLL的动态范围是指系统能够处理的信号强度的范围。由于电荷注入效应的影响，PLL的动态范围减小，导致系统性能下降。 四、抑制电荷注入效应的方法 为了减小电荷注入效应对PLL性能的影响，可以采用以下几种方法： 1.优化电荷泵电路设计：通过改进电路设计，减小电荷泵的非线性特性，从而减小电荷注入效应。例如，可以采用差分电荷泵电路设计，以降低电路中的共模噪声和干扰。 2.引入噪声抑制电路：在PLL中引入噪声抑制电路，减小多余电荷注入对VCO调谐电容的影响。例如，可以在VCO的调谐电容两端并联一个电阻或电容，以减小注入电荷对调谐电容的影响。 3.增加频率校准：在PLL的输出端增加频率校准电路，实时监测和调整VCO的输出频率，以减小因电荷注入效应引起的频率偏移。这种方法需要额外的硬件资源，但可以提高PLL的性能和稳定性。 4.优化控制算法：通过改进PLL的控制算法，减小电荷注入效应对PLL性能的影响。例如，可以采用基于神经网络的自适应控制算法，根据系统状态实时调整控制参数，以减小因非线性特性引起的电荷注入效应。 五、结论
锁相环相位噪声与环路带宽的关系分析 0 引言电荷泵锁相环是闭环系统，系统各个部分都是一个噪声源，各部分噪声的大小不仅与电路本身有关，而且还与环路带宽等因素有关。因此，设计时必须分析其各频率范围内噪声源影响力的大小，权衡确定环路带宽与各噪声源的相互制约关系。以下利用锁相环的等效噪声模型，重点分析电荷泵锁相环系统的相位噪声特性，得出系统噪声特性的分布特点以及与环路带宽的关系。 1 电荷泵锁相环的基本原理图1 为电荷泵锁相环的示意图，主要由鉴相鉴频器(PFD)、电荷泵、滤波器、压控振荡器(VCO)、分频器等5 部分组成，鉴相鉴频器主要用来检测输入信号x(t)与反馈信号xf(t)的频率、相位误差，并产生UP，DOWN 信号控制电荷泵的开关。电荷泵由两个对称的电流源和开关组成。电荷泵的开关会对滤波器上的电容充放电，电流经过滤波器滤波后滤掉高频信号，在滤波器上产生能调整压控振荡器频率和相位的电压v(t)。当v(t)上的电压被调整为一个合适的电压值时，xi(t)的频率和相位与x(t)的一致，系统最终处于平衡状态，从而实现对输入信号的跟踪。 2 电荷泵锁相环的噪声模型与相位噪声特性分析电荷泵锁相环的环路等效噪声模型可以用锁相环各子模块附加噪声源表示。图2 给出了带有无源滤波器锁相环噪声源模的型。设fm 为距离调制频率的偏移量，该图中主分频器、参 考时钟分频器的均方噪声功率谱密度分别被表示为ψd(fm)和ψrcf(fm)；鉴相鉴频器的相位噪声被表示为ψpd(fm)；晶体振荡器的相位噪声被表示为ψx(fm)；相位噪声源的单位是电荷泵的噪声被等价为电流源inp(fm)(单位：)；滤波器的噪声被等价为电压源Vnf(fm)(单位：的自由振荡噪声被表示为 环路输出信号的均方噪声功率谱密度被表示为它是闭环情况下所有噪声源
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
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
锁相环工作原理 锁相环（Phase-Locked Loop，PLL）是一种常见的电子控制系统，用于将输入 信号与参考信号进行同步。它在许多领域中都有广泛的应用，例如通信系统、数字信号处理、频率合成器等。本文将详细介绍锁相环的工作原理及其组成部份。 一、锁相环的基本原理 锁相环的工作原理是通过不断调整反馈信号的相位和频率，使其与参考信号保 持同步。其基本原理可以概括为以下几个步骤： 1. 参考信号产生：锁相环的输入信号通常是一个参考信号，它可以是一个稳定 的时钟信号或者其他周期性信号。 2. 相频比较器：相频比较器用于比较输入信号和参考信号的相位差和频率差。 相位差可以通过比较两个信号的零交叉点来测量，频率差可以通过比较两个信号的周期来测量。 3. 错误放大器：错误放大器用于放大相频比较器的输出误差信号。该误差信号 表示输入信号和参考信号之间的相位和频率差异。 4. 低通滤波器：低通滤波器用于滤除错误放大器输出中的高频噪声，得到一个 平滑的控制信号。 5. 控制电压产生：控制电压产生电路将滤波后的控制信号转换为控制电压，用 于调整反馈信号的相位和频率。 6. 反馈电路：反馈电路将调整后的反馈信号送回相频比较器，与参考信号进行 比较，形成闭环控制。 通过以上步骤，锁相环不断调整反馈信号的相位和频率，使其与参考信号同步，实现相位锁定和频率锁定。
二、锁相环的组成部份 锁相环通常由以下几个主要组成部份构成： 1. 相频比较器：相频比较器用于比较输入信号和参考信号的相位差和频率差。 常见的相频比较器有边沿比较器、乘法器、数字式比较器等。 2. 错误放大器：错误放大器是一个放大器，用于放大相频比较器的输出误差信号。常见的错误放大器有运算放大器、差分放大器等。 3. 低通滤波器：低通滤波器用于滤除错误放大器输出中的高频噪声，得到一个 平滑的控制信号。常见的低通滤波器有RC滤波器、积分器等。 4. 控制电压产生电路：控制电压产生电路将滤波后的控制信号转换为控制电压，用于调整反馈信号的相位和频率。常见的控制电压产生电路有电压控制振荡器（VCO）、数字控制振荡器（DCO）等。 5. 反馈电路：反馈电路将调整后的反馈信号送回相频比较器，与参考信号进行 比较，形成闭环控制。常见的反馈电路有电荷泵、环形缓冲器等。 三、锁相环的应用 锁相环在许多领域中都有广泛的应用，下面以几个典型的应用为例进行介绍： 1. 通信系统：锁相环在通信系统中常用于时钟恢复和时钟提取。它可以将接收 到的数字信号与本地时钟同步，以确保数据的正确接收和传输。 2. 数字信号处理：锁相环在数字信号处理中常用于频率合成和时钟同步。它可 以生成稳定的时钟信号，用于同步采样和数字信号处理算法的实现。 3. 频率合成器：锁相环在频率合成器中常用于产生稳定的高频信号。通过调整 反馈信号的相位和频率，可以实现对输出信号频率的精确控制。
实验三模拟锁相环与载波同步实验 一、实验目的 1. 掌握模拟锁相环的工作原理，以及环路的锁定状态、失锁状态、同步带、捕捉带等基本概念 2. 掌握用平方环法从2DPSK信号中提取相干载波的原理及模拟锁相环的设计方法 3. 了解相干载波相位模糊现象产生的原因 二、实验内容 1. 观察模拟锁相环的锁定状态、失锁状态及捕捉过程 2. 观察环路的捕捉带和同步带 3. 用平方环法从2DPSK信号中提取载波同步信号，观察相位模糊现象 三、基本原理 常用平方环或同相正交环（科斯塔斯环）从2DPSK信号中提取相干载波。本实验用平方环，其原理方框图及电路原理图如图3-1、图3-2所示。 图3-1 载波同步方框图 载波同步模块上有以下测试点及输入输出点：
2DPSK-IN 2DPSK信号输入点 MU 平方器输出测试点，VP-P＞1V COMP 锁相环输入信号测试点 Ud 锁相环压控电压测试点 VCO 锁相环输出信号测试点，VP-P＞ 0.2V CAR-OUT 相干载波信号输出点/测试点
图3-1中各单元与图3-2中的主要元器件的对应关系如下： 平方器 U2：模拟乘法器MC1496 鉴相器 U4: 锁相环HC4046 环路滤波器 U4: 锁相环HC4046 压控振荡器 U4: 锁相环HC4046
÷2 U6：D触发器74HC74 移相器 U8：单稳态触发器74LS123 滤波器电感L1；电容C43 压控振荡器 U5: 锁相环CD4046 锁相环由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）及压控振荡器（VCO）组成，如图3-3所示。 图3-3 锁相环方框图 模拟锁相环中，PD是一个模拟乘法器，LF是一个有源或无源低通滤波器。锁相环路是一个相位负反馈系统，PD检测ui(t)与uo(t)之间的相位误差并进行运算形成误差电压ud(t)，LF用来滤除乘法器输出的高频分量（包括和频及其他的高频噪声）形成控制电压uc(t)，在uc(t)的作用下、uo(t)的相位向ui(t)的相位靠近。设ui(t)=Uisin[ωit+θi(t)]，uo(t)=Uocos[ωit+θo(t)]，则 ud(t)=Udsinθe(t)，θe(t)=θi(t)-θo(t)，故模拟锁相环的PD是一个正弦PD。设uc(t)=ud(t)F(P)，F(P)为LF的传输算子，VCO的压控灵敏度为K o，则环路的数学模型如图3-4所示。
M o o N H u a 2010 P L L 基础 PLL 基础知识
Chap1 PLL概述 1.1PLL作用 提供干净，稳定，可飙车的本地振荡信号 频率综合器分类 1)基于查找表的直接数字频率综合器DDS 优点合成速度快，缺点是杂散大，输出频率低，频率范围窄 2)直接模拟频率综合器 直接模拟频率综合器的原理是对参考频率倍频、分频和混频来产生想要的频率，理论上通过重复的分频和混频操作能够获得任意频率，从另一方面来讲，要获得足够的频率分辨率和较宽的频率范围则需要大量硬件开销 3)锁相环（本文研究对象）PLL 将输出信号分频后与参考频率进行相位比较、跟踪和锁定，这种间接合成频率的方法能够获得很高的频率和频率范围，而且结构简单功耗低，比较适合集成于芯片中。 1.2PLL 结构 分为压控振荡器（VCO），鉴相器（PF），环路滤波器（LF） 分频器（DIVIDER） 工作原理： 1.鉴相器将反馈信号的相位同输入参考信号进行比较，当两者相位差 为0时反馈信号与参考信号同频同相，这时认为环路已经锁定，输 出频率为参考频率乘以分频比N， 2.否则鉴相器输出一包含相位差信息的电流信号迫使反馈信号的相位 做出调整，环路滤波器将鉴相器的输出转换为电压并滤除高频成分 后变为直流信号， 3.控制VCO输出N分频后的信号频率往参考频率方向变化。
1.3主要技术指标 两大类：频谱纯度和动态特性 1相位噪声 相位噪声和抖动是对同一种现象的两种不同的定量方式。在理想情况下，一个频率固定的完美的脉冲信号(以1 MHz为例)的持续时间应该恰好是1微秒，每500ns有一个跳变沿。但不幸的是，这种信号并不存在。如图1所示，信号周期的长度总会有一定变化，从而导致下一个沿的到来时间不确定。这种不确定就是相位噪声，或者说抖动。 相位噪声是从频域上来描述:通常定义为在某一给定偏移频率处的dBc/Hz 值，其中，dBc是以dB为单位的该频率处功率与总功率的比值。一个振荡器在某一偏移频率处的相位噪声定义为在该频率处1Hz带宽内的信号功率与信号的总功率比值。 抖动是从时域上来描述:它从本质上描述了信号周期距离其理想值偏离了多少 2.杂散spur ? 3.锁定？ Chap.2 恒定调谐增益VCO VCO是PLL中频率最高的模块，锁相环合成的载波频率由VCO得到。VCO 的频率受控制电压的变化发生改变，图3.1说明了VCO的压控特性，随着控制电压V out从V1变化到V2，输出频率ωOUT从ω1变化到ω2，定义输出频率对电压的变化率为调谐增益为K vco。则有下图 振荡器通常有两种： 1.基于相移网络的RC和有源元件的环形振荡器（Ring），面积小，功耗 低，缺点噪声大，谐振Q小 2.LC振荡器。高Q，选频特性好，但面积大
实验五数字锁相环与位同步 一、 实验目的 1. 掌握数字锁相环工作原理。 2. 掌握用数字环提取位同步信号的原理及对其输入的信息代码的要求。 3. 掌握位同步器的同步建立时间、同步保持时间、位同步信号相位抖动等基本概念。 二、 实验原理 可用窄带带通滤波器或锁相环来提取位同步信号。实验1中用电荷泵锁相环和实验3中的模拟锁相环对输入噪声都可以等效为一个窄带带通滤波器，因而可以用来提取位同步信号。但前者要求输入信号为周期或准周期数字信号，后者要求输入信号为周期或准周期正弦信号。本实验使用数字锁相环提取位同步信号，它不要求输入信号一定是周期信号或准周期信号。 用于提取位同步信号的数字环有超前滞后型数字环和触发器型数字环，TX 系实验中的位同步器由控制器、触发器型数字锁相环及脉冲展宽器组成，数字锁相环包括鉴相器、量化器、数字环路滤波器、数控振荡器等单元。位同步模块原理框图如图5-1。 本实验环路中的主要器件是单片机89C51及可编程定时器/计数器8254。本实验环路中使用了两个8254芯片，共6个计数器，分别表示为8254A0、8254A1、 8254A2、8254B0、8254B1、8254B2。它们分别工作在M0、M1、M2三种工作模式。M0为计数中断方式，M1为单稳方式，M2为分频方式。除地址线、数据线外，每个8254芯片还有时钟输入端C 、门控信号输入端G 和输出端O 。 数字鉴相器电原理图及波形图如图5-3（a ）、图5-3（b ）所示。输出信号宽度正比于信号i u 及0u 上升沿之间的相位差，最大值为i u 的码元宽度。称此鉴相器为触发器型鉴相器，称包含有触发器型鉴相器的数字环路为触发器型数字锁相环。