0 引 言
    電荷泵鎖相環(huán)是閉環(huán)系統(tǒng),，系統(tǒng)各個(gè)部分都是一個(gè)噪聲源,，各部分噪聲的大小不僅與電路本身有關(guān)，而且還與環(huán)路帶寬等因素有關(guān),。因此,，設(shè)計(jì)時(shí)必須分析其各頻率范圍內(nèi)噪聲源影響力的大小，權(quán)衡確定環(huán)路帶寬與各噪聲源的相互制約關(guān)系,。以下利用鎖相環(huán)的等效噪聲模型,，重點(diǎn)分析電荷泵鎖相環(huán)系統(tǒng)的相位噪聲特性，得出系統(tǒng)噪聲特性的分布特點(diǎn)以及與環(huán)路帶寬的關(guān)系,。

1 電荷泵鎖相環(huán)的基本原理
    圖1為電荷泵鎖相環(huán)的示意圖,，主要由鑒相鑒頻器(PFD)、電荷泵,、濾波器,、壓控振蕩器(VCO)、分頻器等5部分組成,，鑒相鑒頻器主要用來檢測(cè)輸入信號(hào)x(t)與反饋信號(hào)xf(t)的頻率,、相位誤差，并產(chǎn)生UP,，DOWN信號(hào)控制電荷泵的開關(guān),。電荷泵由兩個(gè)對(duì)稱的電流源和開關(guān)組成。電荷泵的開關(guān)會(huì)對(duì)濾波器上的電容充放電,，電流經(jīng)過濾波器濾波后濾掉高頻信號(hào),，在濾波器上產(chǎn)生能調(diào)整壓控振蕩器頻率和相位的電壓v(t)。當(dāng)v(t)上的電壓被調(diào)整為一個(gè)合適的電壓值時(shí),，xi(t)的頻率和相位與x(t)的一致,，系統(tǒng)最終處于平衡狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的跟蹤,。

2 電荷泵鎖相環(huán)的噪聲模型與相位噪聲特性分析
    電荷泵鎖相環(huán)的環(huán)路等效噪聲模型可以用鎖相環(huán)各子模塊附加噪聲源表示,。圖2給出了帶有無(wú)源濾波器鎖相環(huán)噪聲源模的型。設(shè)fm為距離調(diào)制頻率的偏移量,，該圖中主分頻器,、參考時(shí)鐘分頻器的均方噪聲功率譜密度分別被表示為ψd(fm)和ψrcf(fm),；鑒相鑒頻器的相位噪聲被表示為ψpd(fm),；晶體振蕩器的相位噪聲被表示為ψx(fm)；相位噪聲源的單位是電荷泵的噪聲被等價(jià)為電流源inp(fm)(單位：),；
濾波器的噪聲被等價(jià)為電壓源Vnf(fm)(單位：
的自由振蕩噪聲被表示為

    環(huán)路輸出信號(hào)的均方噪聲功率譜密度被表示為它是閉環(huán)情況下所有噪聲源影響的總和,。輸出相位噪聲功率譜密度可以表示為：
  
式中：ψolp2(fm)為具有低通傳輸函數(shù)的噪聲源功率譜密度；ψohp2(fm)為具有高通傳輸函數(shù)的噪聲源功率譜密度。

    在圖2所示的噪聲源等效模型中,，ψd(fm),，ψref(fm)，ψpd(fm),，ψx(fm)和inp(fm)具有低通傳輸特性,，其傳輸函數(shù)可以表示為：
  
式中：G(s)和H(s)分別為環(huán)路的開環(huán)增益函數(shù)和閉環(huán)增益函數(shù)。歸一化的電荷泵相位噪聲inp(fm)／Kpd和晶體振蕩器噪聲ψx(fm)／R對(duì) ψolp(fm)的影響也可以用式(2)來表示,。當(dāng)用j2πfm代替s時(shí),，ψo2(fm)中具有低通傳輸函數(shù)噪聲源功率譜密度的噪聲分量ψolp2 (fm)可以表示為：

          
式中：ψeq2(fm)為等效相位噪聲。從該式可以看出,，ψolp2(fm)與ψeq2(fm)間的傳輸函數(shù)是N2| H(j2πfm)|2,。因而由于分頻器N的存在，噪聲功率譜密度被放大了N2倍,。通常,，ψeq2(fm)正比于參考頻率fref，即：

                      
    因而分頻數(shù)N越小,，等價(jià)的具有低通特性的相位噪聲功率譜密度就越小,。
    在圖2所示的噪聲源等效模型中，ψVCO(fm)和Vnf(fm)具有高通傳輸特性,，其傳輸函數(shù)可以表示為：

                            
   
    壓控振蕩器的功率譜密度ψVCO2(fm)可以表示為：

                         
  
式中：fr是一個(gè)預(yù)定義的偏移頻率,，在該偏移頻率點(diǎn)自由振蕩壓控振蕩器的相位噪聲功率譜密度，使之等于ψVCO2(fr),；fk為拐點(diǎn)頻率,，小于該點(diǎn)頻率時(shí)，自由振蕩壓控振蕩器的相位噪聲功率譜密度近似與1／fm3成正比,，大于該點(diǎn)頻率時(shí),，自由振蕩壓控振蕩器的相位噪聲功率譜密度近似與1／fm2成正比； ψVCO.nf2為自由振蕩壓控振蕩器的本底相位噪聲功率譜密度,。

    在濾波器中,，由于濾波器電阻上存在著熱噪聲電壓。該電壓可以調(diào)制壓控振蕩器的相位,，在圖2中把該噪聲電壓等效為Vnf,。由Vnf所引起的噪聲功率譜密度可以表示為：

   由式(8)和式(7)可知，ψo2(fm)中具有高通傳輸函數(shù)噪聲源功率譜密度的噪聲分量ψohp2(fm)可以表示為：

  
    由式(1),、式(3)和式(9)可以求出總的噪聲功率譜密度為：

3 電荷泵鎖相環(huán)的相位噪聲與環(huán)路帶寬關(guān)系
    圖3為模擬的鎖相環(huán)相位噪聲曲線,，從圖3中可以看出，環(huán)路的開環(huán)環(huán)路帶寬在1 MHz左右,。在模擬時(shí),，假定VCO的相位噪聲功率譜密度與頻率fm的變化為-6 dB／倍頻,，同時(shí)假定具有低通特性的鎖相環(huán)噪聲源在全頻帶都具有相等的功率譜密度。由于鎖相環(huán)環(huán)路的作用,，在大于環(huán)路帶寬時(shí),，具有低通特性的環(huán)路噪聲被環(huán)路抑制；而小于環(huán)路帶寬時(shí),，VCO的噪聲被環(huán)路抑制,，整個(gè)系統(tǒng)的噪聲為兩種噪聲源之和。因而在低頻時(shí),，整個(gè)系統(tǒng)的噪聲中具有低通特性的環(huán)路噪聲源起主導(dǎo)作用,；而在高頻時(shí)，VCO的噪聲起主導(dǎo)作用,。通常設(shè)計(jì)環(huán)路時(shí)需要綜合考慮兩種噪聲的影響,，然后才能確定環(huán)路帶寬。如果具有低通特性的環(huán)路噪聲較小,，為了獲得較好的高頻噪聲,，可以把環(huán)路帶寬選得大些，從而更好地抑制VCO的噪聲,，反之亦然,。

4 結(jié) 語(yǔ)
    以上的探討內(nèi)容源自一款TD-SCDMA頻率綜合器研究，為了獲得良好的相位噪聲和較小的抖動(dòng),，系統(tǒng)往往都被設(shè)計(jì)成可以近似為線性的系統(tǒng),。
    在此，首先簡(jiǎn)介電荷泵鎖相環(huán)的基本原理,，然后引入此系統(tǒng)的等效噪聲模型,，分析了不同頻率段影響環(huán)路噪聲的主要因素；以上分析指出,，設(shè)計(jì)環(huán)路時(shí)需要綜合考慮鎖相環(huán)環(huán)路噪聲和VCO的噪聲的影響,，然后才能確定環(huán)路帶寬。如果具有低通特性的環(huán)路噪聲較小,，為了獲得較好的高頻噪聲,，可以把環(huán)路帶寬選得大些，從而更好地抑制VCO的噪聲,。因而以上的分析對(duì)于電荷泵鎖相環(huán)的環(huán)路噪聲特性與環(huán)路帶寬設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義,。然而，實(shí)際電路中寄生參數(shù)會(huì)影響系統(tǒng)的噪聲特性及系統(tǒng)的穩(wěn)定性,，因而設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能減小寄生效應(yīng)