電荷泵鎖相環(huán)的模型研究和電路設計共3篇電荷泵鎖相環(huán)的模型研究和電路設計1電荷泵鎖相環(huán)是一種常用于時鐘回路中的控制電路，主要用于產生高穩(wěn)定度的時鐘信號。本文將介紹電荷泵鎖相環(huán)的模型研究和電路設計。

1.電荷泵鎖相環(huán)的基本原理

電荷泵鎖相環(huán)是一種基于反饋控制原理的電路，其基本原理是通過控制電流的方向和大小，將電荷從一個電容器轉移到另一個電容器，從而實現電壓的控制。電荷泵鎖相環(huán)由相位檢測器、電荷泵、低通濾波器和反饋環(huán)組成。

2.電荷泵鎖相環(huán)的模型研究

電荷泵鎖相環(huán)的模型包含兩個基本元件：相位檢測器和低通濾波器。

2.1.相位檢測器

相位檢測器的作用是將輸入信號與參考信號進行比較，并輸出一個控制信號。相位檢測器的基本類型是邊沿檢測器和比例檢測器。

邊沿檢測器將輸入信號和參考信號都分別輸入到兩個單穩(wěn)態(tài)電路中，分別產生一個脈沖信號，然后將兩個脈沖信號進行異或運算，得到一個控制信號。

比例檢測器將輸入信號和參考信號都分別輸入到兩個計數器中，然后將兩個計數器的輸出進行比較，得到一個控制信號。

2.2.電荷泵

電荷泵的作用是將電荷從一個電容器轉移到另一個電容器中，來實現電壓的調節(jié)。電荷泵的基本類型是反相式電荷泵和正相式電荷泵。

反相式電荷泵的基本工作原理是，當控制信號為高電平時，輸入端為高電壓，輸出端為低電噪聲；當控制信號為低電平時，輸入端為低電噪聲，輸出端為高電壓。正相式電荷泵則正好相反。

2.3.低通濾波器

低通濾波器的作用是將電荷泵輸出的高頻噪聲濾波掉，輸出一個穩(wěn)定的直流電壓。電荷泵鎖相環(huán)需要穩(wěn)定的直流電壓來控制反饋環(huán)。

3.電荷泵鎖相環(huán)的電路設計

電荷泵鎖相環(huán)的電路設計涉及到相位檢測器、電荷泵和低通濾波器的組合。

3.1.相位檢測器的選型

相位檢測器的選型應該基于鎖定時間、鎖定范圍、輸出噪聲等參數來選擇。一般來說，邊沿檢測器適合于高頻信號，比例檢測器適合于低頻信號。

3.2.電荷泵的設計

電荷泵的設計應結合輸入信號的幅值和頻率來選擇。一般來說，反相式電荷泵適合于高頻信號，正相式電荷泵適合于低頻信號。電荷泵的電容和寄生電容的大小也需要考慮。

3.3.低通濾波器的設計

低通濾波器的選型和設計應結合電荷泵和輸入信號的頻率來選擇。低通濾波器的阻值和電容的大小決定了濾波器的截止頻率，截止頻率應該與輸入信號的頻率相匹配。

4.總結

電荷泵鎖相環(huán)是一種常用的時鐘同步電路，具有高精度、高穩(wěn)定度等特點。其模型研究和電路設計涉及到相位檢測器、電荷泵和低通濾波器等元件的組合，應結合輸入信號的特點進行選擇和設計，以獲得最佳的性能和穩(wěn)定性。電荷泵鎖相環(huán)的模型研究和電路設計2電荷泵鎖相環(huán)

電荷泵鎖相環(huán)（ChargePumpPhase-LockedLoop，簡稱CPPLL）是一種基于電荷泵的管路，它是時鐘電路領域中廣泛應用的一種鎖相環(huán)電路設計。它基于振蕩器、放大器、濾波器等模塊來產生穩(wěn)定的輸出頻率信號。電荷泵鎖相環(huán)在現代通信系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)、射頻信號處理以及其它領域都有著廣泛的應用。

CPPLL鎖相環(huán)的基本原理

電荷泵鎖相環(huán)中的電荷泵把鎖相環(huán)的輸出信號分成兩部分：一部分是鎖相環(huán)輸出信號和參考信號的差值，另一部分是鎖相環(huán)參考信號和VCO輸出信號的差值。當鎖相環(huán)輸出與參考信號誤差較小時，電荷泵輸出的電荷就能夠正確的累積，控制VCO的頻率輸出穩(wěn)定在參考信號頻率的舉例之內，從而實現系統(tǒng)的同步。如圖1所示。

圖1CPPLL鎖相環(huán)的基本原理示意圖

其中，VCO輸出的正弦波的頻率叫做VCO頻率，其周期為T（秒）；參考信號的頻率是fREF，其周期為TREF=1/fREF(秒)；鎖相環(huán)輸出信號的頻率為fOUT，其周期為TOUT=1/fOUT(秒)。

電路設計

1.鎖相環(huán)器

鎖相環(huán)器是整個鎖相環(huán)電路的核心部分，它包括了比較器、低通濾波器、增益放大器、電荷泵和VCO等模塊。鎖相環(huán)器的基本作用是實現輸入和輸出之間的相位同步，即把輸入的信號的相位鎖定到特定的相位關系。

2.VCO

鎖相環(huán)鎖定輸出信號是由VCO提供，它通過鎖相環(huán)的核心部分鎖定到參考信號的頻率fREF。VCO工作頻率范圍在幾兆赫茲到幾千兆赫茲之間，零件計算得出的值通常是50MHz。如果需要更低或更高的頻率，VCO轉移函數的參數應進行修正以重新調整VCO的工作頻率。

3.電荷泵

電荷泵模塊是由三個電容組成的簡單電路，確保VCO與參考信號相速同步。當兩種信號的相位差增大時，電荷進行正向傳輸，使電容C1的電壓增加，電容C2和C3的電壓隨后下降，VCO輸出頻率逐漸降低。反之，如果相位差變小，則電荷將被反向傳輸，電容C1電壓降低，電容C2和C3電壓隨之升高，VCO輸出頻率隨之升高。

4.放大器

鎖相放大器是一個固定的增益放大器，它通過放大電荷泵的輸出信號來控制VCO的輸入，并在誤差信號趨于零時停止放大。

5.低通濾波器

低通濾波器主要由共模電容和電感兩部分組成，它的作用是過濾掉倍頻雜波，使系統(tǒng)輸出的信號波形更加穩(wěn)定和規(guī)則。

6.參考信號產生器

參考信號產生器是電路中很重要的組成部分，它通過固定的開關和電池組合產生參考信號波形。參考信號波形的正弦波形狀是非常基本的，一般都由振蕩器產生，通常采用的是石英晶體振蕩器。

總結

電荷泵鎖相環(huán)已經被廣泛應用于實際的通信系統(tǒng)中，具有快速、準確、可靠的相位鎖定、頻率穩(wěn)定、抗噪聲干擾等優(yōu)點，能夠有效地保證信號的傳輸質量。設計人員在設計鎖相環(huán)電路時，還必須根據具體的應用要求來選擇適當的鎖相環(huán)類型、VCO類型、電荷泵類型和濾波器類型，以應對不同的工作環(huán)境和應用模式。電荷泵鎖相環(huán)的模型研究和電路設計3電荷泵鎖相環(huán)（Chargepumpphase-lockedloop，CPPLL）是一種常見的鎖相環(huán)電路，它通過將被控信號轉化為電壓信號，再利用電荷泵電路進行幅度調制，最后實現信號鎖定的目的。本文將分三個部分來介紹電荷泵鎖相環(huán)的原理、模型和電路設計。

一、電荷泵鎖相環(huán)原理

電荷泵鎖相環(huán)由相位比較器、環(huán)路濾波器、振蕩器、分頻器、電荷泵和參考頻率源六部分組成，如下圖所示。


其中，相位比較器的作用是將被控信號與參考信號進行比較，并輸出比較結果。環(huán)路濾波器的作用是對比較器輸出的脈沖信號進行濾波，以得到控制電壓。振蕩器的作用是產生固定頻率的參考信號。分頻器的作用是將振蕩器輸出的信號進行分頻，以得到多個不同的頻率信號。電荷泵的作用是將環(huán)路濾波器輸出的控制電壓轉化為電流信號，進而驅動振蕩器改變頻率，以實現信號鎖定。

二、電荷泵鎖相環(huán)模型研究

電荷泵鎖相環(huán)可以用數字控制系統(tǒng)的模型進行描述。該模型包括兩個子模型：自然法輪廓模型和數字調節(jié)模型。

1.自然法輪廓模型

自然法輪廓模型是電荷泵鎖相環(huán)的基本模型，它描述了鎖相環(huán)的工作原理。模型中關鍵參數包括：被控信號的相位，全局振蕩器的頻率和濾波環(huán)路的帶寬。該模型的方程組如下：

$\dot{\phi}(t)=f_{osc}(t)-f_{VCO}(t)$

$\dot{f}_{VCO}(t)=\frac{k_{VCO}}{C_{2}}u_{cp}(t)$

$u_{cp}(t)=\frac{k_{cp}}{C_{1}}\int_{t_{0}}^{t}e(t)dt$

其中，$\phi$是全局相位的變化量，$f_{osc}$是全局振蕩器的頻率，$f_{VCO}$是VCO的頻率，$u_{cp}$是電荷泵輸出的電壓，$k_{VCO}$是VCO的增益，$C_{2}$是VCO的輸出電容，$k_{cp}$是電荷泵的電流增益，$C_{1}$是電荷泵的輸入電容。

2.數字調節(jié)模型

數字調節(jié)模型用于實現鎖相環(huán)的數字實現，用離散時間模型代替模擬模型。計算機通過采用兩個定時器，控制數字調節(jié)模型的運行。該模型的方程組如下：

$\phi(n+1)=\phi(n)+\Deltat[f_{osc}(n)-f_{VCO}(n)]$

$f_{VCO}(n+1)=f_{VCO}(n)+\frac{K_{p}}{C_{2}}u_{cp}(n)-K_{i}T_{s}e(n)$

$u_{cp}(n)=u_{cp}(n-1)+\frac{k_{cp}}{C_{1}}V_{in}(n)$

其中，$\phi$是全局相位的變化量，$f_{osc}$是全局振蕩器的頻率，$f_{VCO}$是VCO的頻率，$u_{cp}$是電荷泵輸出的電壓，$K_{p}$和$K_{i}$是兩個PID參數，$T_{s}$是采樣時間，$e(n)$是誤差信號，$V_{in}(n)$是輸入信號。

三、電荷泵鎖相環(huán)電路設計

下面構建一個電荷泵鎖相環(huán)電路，來演示模型的實際應用。

我們可以根據上面的模型進行電路設計，其中比較器和濾波器可以使用LM311和RC濾波器實現。振蕩器可以使用555定時芯片實現，電荷泵可以使用3個NPN二極管和3個PNP二極管串聯(lián)構成。分頻器可以使用CD4040二進制計數器，具體電路如下圖所示。


其中，DC電源為