锁相环滤波器的设计

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。

adisimpll锁相环设计过程锁相环（Phase-Locked Loop，PLL）是一种常用于时钟和信号恢复的电子电路。

它可以将输入信号的频率、相位和幅度与参考信号进行比较，然后通过调整其内部振荡器的频率和相位来保持与参考信号的同步。

在现代电子系统中，锁相环已成为许多应用的核心部件，例如通信系统、数据转换和数字信号处理等。

锁相环的设计过程通常包括以下几个主要步骤：1.确定锁相环的规格要求：首先需要确定系统的特定需求，包括输入和输出信号的频率范围、带宽、相位噪声要求以及抖动限制等。

这些规格要求将直接影响锁相环的设计参数和性能。

2.选择合适的锁相环架构：根据系统的特定需求，选择适合的锁相环架构。

常见的锁相环架构包括基于电压控制振荡器（Voltage-Controlled Oscillator，VCO）的基本锁相环、带自由运行振荡器（Free-Running Oscillator）的环-环（Ring-Oscillator）锁相环和数字控制振荡器（Digital-Controlled Oscillator，DCO）的混合锁相环等。

3.设计相位频率检测器：锁相环中的相位频率检测器（Phase-Frequency Detector，PFD）用于比较参考信号和反馈信号的相位和频率差异，并将其转化为控制信号。

常见的PFD电路包括EXOR门和带有多频偏的PFD等。

4.设计环路滤波器：设计环路滤波器用于平稳化锁相环的控制信号。

环路滤波器通常采用低通滤波器结构，能够滤除高频噪声和不稳定性。

5.设计振荡器：根据系统的频率范围和性能要求，设计合适的振荡器。

常见的VCO设计包括压控晶体振荡器（Voltage-Controlled Crystal Oscillator，VCXO）和频率可调振荡器（Voltage-Controlled Oscillator，VCO）。

6.设计控制电路：根据锁相环的设计需求，设计合适的控制电路。

同步技术原理与仿真通信系统有发送信号和接收信号的俄过程，其中接收信号是从噪声、干扰中提取有用信号，获取通信系统发送的信息。

提取信息是估计再生信号的某个或某些特征参数：载波频率、振幅、相位以及发送的时间等。

锁相环是一个频率与相位同步反馈控制系统。

模拟通信中载波抑制双边带（DSB-SC ）、SSB 数字通信中：PSK 、DPSK 、MPSK 、MSK 、QAM 遥控遥测系统无线电定位导航系统模拟锁相环原理()()phoutt f t dff f phint f t lo lo lo in in in +=+=+=πθπθ22可以得到相位误差：()()()()()phoutphin dft phout t f phin t f t t t lo in lo in e -+=+-+=-=πππθθθ222输入信号()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()[]()()()()()()()()()[]()()()()()()[]()()()()()()()()[]()()t t t t n t t n t t t t n t t n t t t t t t t n t t t t t t t n t t t t n t t t t n t n t t n t t n t n t n t t V t x c s s c s c s c s c i θωθθθωθθθθωθθωθθωθθωθθωθθωωωθω+--++=+-+-+++=-+--+=⎩⎨⎧-=++=00000000000sin sin cos cos sin cos sin cos cos sin sin sin cos cos sin cos sin cos sin()()()()()()()()()()()()()()⎩⎨⎧-=+=t t n t t n t N t t n t t n t N c s s s c c θθθθsin cos sin cos 锁相环环路滤波器()s F 设计仿真一、1阶锁相环设计仿真1. 1阶锁相环()()1=s Ft1阶数字锁相环()n x算法流程()()()()()()13111212111312112sin w K n w w w w w T n x w w G n x n n out e out in e ⋅==+=⋅+==-=θθθθθ二、2阶锁相环设计仿真1. 1阶环路滤波器 积分器设计T zs 1111--⇒211111T zz s ---+⇒ 1阶环路模拟滤波器1阶环路数字滤波器21w1阶数字锁相环算法流程()()()()23212222212313222111121211130121122sin w K n w w w w w T w w w w w w w w T x w w G x n n out e out in e ⋅==+=⋅+==+=⋅⋅+==-=θωθθθθ2. 无源RC 积分滤波器()1/1111111+=+=+=sss s s s F ττττ微分方程()()()()()()()()()()()⎰⎰⎰⎰-=⇒+=⇒⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=⇒=+=+=+=dt t y dt t x t y dt t y t y dt t x s s Y s s X s X s Y sss s s s F ττττττττττ1111/1111/1111111差分方程表达式1：算法流程()()()ττ//213121222221311111121211w w w w w n y T w w w n y w w n x T w w -==+⨯=+==⨯+=差分方程表达式2：算法流程()()()ττ/2//2/233121222221232221311311121211131211w w w w w w w w n y T w w w n y w w w w w n x T w w ==+=+⨯=+==+=⨯+=数字锁相环结构算法流程()()()()()()()()()43414242414342412331212222212322213113111212111312112//2/21sin w K n w w w w w T n y w w w w w w w w w T n y w w w w n y w w w w w Tn x w w G n x n n out e out in e ⋅==+=⋅+=-==+=⋅+=+==+=⋅⋅+=⋅=-=θττθθθθ微分方程()()()()()()()()()t y t x t y t y t y t x s X s Y s s F ''11τττ-=⇒+=⇒=+=3. 无源比例积分滤波器传递函数()()()()()()s X s Y ss s s s s s s s s s F 1222122122122122111/111111111111+=+-+=+-+=+-+=+-++=++=ττττττττττττττττ 令()⎩⎨⎧=-=222211/1/ττττa a可以得到()()()sa a s X s Y s F /112111+==微分方程()()()()()()()()()()()()t y a t x a t y s s Y a s X a s Y s s Y a s Y s X a sa a s X s Y s F '2121212111///11-=⇒-=⇒+=⇒+==微分方程结构框图滤波器结构框图积分方程()()()()()()()()()()()()dtt y a dt t x a a t y s Y a ss sX a a s Y s Y a s sY s sX a a s sa s a a s X s Y s F ⎰⎰-=⇒-=⇒+=⇒+=+==22111221112112121111/11积分方程结构框图滤波器结构框图数字滤波器数字锁相环结构w42算法流程：()()()()()()()()()()()()42414242414342411232312122222123221213113111121211*********122sin Kw n w w w w w w Tn y w n y n x n y w a w w w w w w w Tn y w w w n y w w w w w w Ta a n x w G n x n n out e out in e ==+=+⋅=+=-==+=+⋅=+==+=+⋅⋅==-=θθθθθ4. 有源比例积分滤波器()()()1211211τττττ+==+=s s X s Y s s s F 滤波器结构框图数字滤波器结构数字锁相环结构框图)22w算法流程()()()()()()()()()23212222212322211112121113121111312212sin w K n w w w w w w Tn y w w w w w w w T n x w w n x n y G n x n n out e out in e ⋅==+=+⋅==+=+⋅⋅=+⋅==-=θτττθθθθ5. 跟踪频率斜升信号的二阶环路滤波器 传递函数()22112211ss s s F ττττ++=滤波器结构框图6. 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东南大学硕士学位论文宽带PLL环路滤波器的设计姓名：刘奡申请学位级别：硕士专业：微电子学与固体电子学指导教师：陆生礼20060219摘要摘要环路滤波器（ＬｏｏｐＦｉｌｔｅｒ，简称ＬＰＦ）是锁相环（ＰＬＬ）的重要组成单元，它在很人程度上决定了ＰＬＬ的性能。

在ＰＬＬ频率综合器的设计中，为了获得稳定的ＶＣＯ凋谐电压，环路滤波器起到了维持环路稳定性、控制环路带内外噪声、防止ＶＣＯ调谐电压控制线上电压突变、抑制参考边带杂散干扰（ｓｐｕｒｓ）等重要作州，是ＰＬＬ频率综合器的设计与调试的关键。

本文实现了一个三极管放大结构的有源三阶环路滤波器，在对ＶＣＯ调谐电压３．３Ｖ到３３Ｖ的放大的同时，保持宽带ＰＬＬ的环路稳定性，实现对品振基准频率处噪声的抑制，并根据ＰＬＬ噪声模型优化设计ＰＬＬ环路带宽，实现带内外环路噪声的优化设计。

论文首先重点介绍环路滤波器的设计理论，着重介缁分析设计环路滤波器所涉及的相关概念和环路滤波器的拓扑结构。

在此基础上，更进一步的根据设计环路滤波器的需要，深入讨论了ＰＬＬ环路的参数模型，包括ＰＬＬ各模块的参数抽象方法，环路的开ｆｊ＝｜环传输方程和开环带宽，相位裕度的理论推导。

并且对ＰＬＬ环路性能和环路滤波器性能之间的关系作了理论分析。

最斤，针对我们数字电视接收机州宽带ＰＬＬ环路设计所需的滤波器电路。

在实现电路拓扑的基础上，通过更进一步的建立环路滤波器简化模弛和完整模型，详细推导了环路滤波器网络参数的量化实现过稃提山了解决本课题的设计方案，并灵活地使用了ＳｙｎｏｐｓｙｓＨｓｐｉｃｅ，ＣａｎｄｅｎｃｅＳｐｅｃｔｒｅＲＦ、Ｖｅｒｉｌｏｇ－ＡｔＭａｔｌａｂ等ＥＤＡ软什对所设计的电路进行建模，推导，分析，验证，给出了行之有效的推导设计方法。

晟后，通过实际应用验证了该设计。

关键词：射频集成电路，环路滤波器，锁相环，调谐电压，环路带宽，相位裕度，相位噪声杂散抑制ｌ”ＯＲ３＊Ｃ３ｌＵ‘Ｃ３ｌＴ４ＯＯＲ４＊ＣＡＩ｝ＣｔｏｔＣ１＋Ｃ２Ｃｌ＋Ｃ２＋Ｃ３Ｃｌ＋Ｃ２＋Ｃ３＋ＣＡ一旦确定了环路滤波器阻抗（Ｚ（ｓ）），电荷泵增益（Ｋｍ）和ＶＣＯ增益（Ｋｖｃｏ），则Ｐｕ．开环增益（Ｇ（ｓ））也随之确定：Ｇ（ｓ）：Ｋ≯Ｋｖｃ。

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)第一章题目要求与方案论证1.1题目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。

锁相环设计与MATLAB仿真锁相环（Phase-Locked Loop，PLL）是一种电路设计技术，用于提取输入信号中的相位信息，并在输出信号中保持输入信号与输出信号的相位差稳定。

PLL广泛应用于通信系统、时钟生成器、频率合成器等领域。

锁相环主要由相位检测器（Phase Detector，PD）、环路滤波器（Loop Filter，LF）、振荡器（Voltage-Controlled Oscillator，VCO）和分频器（Divider）组成。

相位检测器用于比较输入信号和VCO输出信号的相位差，并产生一个低频的误差信号。

传统的相位检测器包括异或门相位检测器（XOR PD）和倍频器相位检测器（Multiplier PD）。

异或门相位检测器适用于窄带相位差测量，倍频器相位检测器适用于宽带相位差测量。

MATLAB提供了用于建模和仿真PLL的工具箱，可以方便地进行相位检测器的设计和性能分析。

环路滤波器用于滤波相位误差信号，根据滤波器的设计方法不同，可以实现不同的环路特性。

传统的环路滤波器包括积分环路滤波器和比例积分环路滤波器。

积分环路滤波器对误差信号进行积分，使得环路系统具有很高的稳定性和抗干扰能力，但响应时间较长。

比例积分环路滤波器在积分环路滤波器的基础上引入比例增益，可以更快地响应相位误差的变化。

振荡器（VCO）根据环路滤波器输出的控制电压来生成输出信号，并提供给分频器进行频率除法操作。

振荡器通常采用压控振荡器（VCO）或电流模式逻辑（Current Mode Logic，CML）结构，可以根据应用需求选择合适的振荡器设计。

分频器用于将振荡器输出的高频信号按照设定的分频比例进行分频，生成与输入信号相位对齐的输出信号。

分频器采用计数器和锁存器设计，计数器用于记录输入信号的周期数，锁存器将计数器的值锁定在一个周期，输出给相位检测器进行相位比较。

锁相环的设计和仿真可以通过MATLAB工具箱进行。

首先，设计相位检测器的传输函数和特性，选择适当的相位检测器类型和设计参数。