Banerjee 有源环路滤波器设计
本文基于 Dean Banerjee PLL Performance Simulation and Design 深度解析 第 24-25 章提炼。有源环路滤波器在 VCO 调谐电压需求超过电荷泵供电范围时是必需的选择,但代价是增加运放的噪声和成本。
前后关系
前置知识:
- Banerjee 无源环路滤波器设计 — Ch.20-23 被动滤波器设计基础
- Banerjee 环路滤波器系数与传递函数 — Ch.8 滤波器系数定义
本书内部链条:
- Ch.24-25(本文)← Ch.2 (有源滤波器的必要性场景)
- → Ch.31 (部分集成环路滤波器中包含有源方案)
Ch.24: Fundamentals of PLL Active Loop Filter Design
为何需要有源滤波器
无源滤波器的局限性在于电荷泵输出的最大电压受限于电源电压(通常 3-5V)。当 VCO 需要更高调谐电压(如 10V 以上)时,必须使用有源滤波器使用运放升压。
标准反馈拓扑(Preferred Approach)
Kφ → [C1] → (+) → [R2-C2] → [R3-C3] → [R4-C4] → [VCO]
←(−) op-amp
Vcc/2- 运放接成标准反馈形式,Vcc/2 为共模偏置
- 传递函数形式与被动滤波器不同——A0 = C1 + C2(与阶数无关)
有源滤波器系数
| 阶数 | A0 | A1 | A2 | A3 |
|---|---|---|---|---|
| 2nd | C1+C2 | C1·C2·R2 | 0 | 0 |
| 3rd | C1+C2 | C1·C2·R2 + (C1+C2)·C3·R3 | C1·C2·C3·R2·R3 | 0 |
| 4th | C1+C2 | C1·C2·R2 + (C1+C2)·(C3·R3+C4·R4+C4·R3) | 见原文 Table 8.2 | C1·C2·C3·C4·R2·R3·R4 |
有源滤波器中 A0 不随阶数增加,这是与被动滤波器的关键区别。
运放引入的噪声模型
运放向PLL环路注入额外噪声,这是有源滤波器相比无源方案的主要代价。噪声源分为两类:
电压噪声
运放输入端的电压噪声密度(单位 ),通过运放闭环增益传递到VCO调谐端。在PLL环路中,运放电压噪声的传递函数为:
运放噪声在PLL带内表现为低通特性,环路带宽内的运放噪声贡献被闭环特性抑制(类似于参考噪声的传递函数)。
电流噪声
运放输入端电流噪声(单位 ),流经反馈网络和滤波器阻抗,转换为电压噪声:
电流噪声在低频段影响更大(滤波器阻抗高),随频率升高因阻抗降低而减小。对于JFET输入运放,电流噪声通常可忽略();BJT输入运放需特别关注,因其输入偏置电流更大。
1/f 噪声(闪烁噪声)
运放在低频段存在 噪声拐角,典型拐角频率在 之间。在窄带PLL合成器(环路带宽 )中, 噪声可能成为带内相位噪声的主要贡献者——这是有源滤波器设计中最容易忽视的问题。
噪声对比:有源 vs 无源
| 噪声特性 | 无源滤波器 | 有源滤波器 |
|---|---|---|
| 热噪声 | 仅由 产生(通常 ) | 运放 通常 ,是主要噪声源 |
| 电流噪声 | 无 | JFET型 ,BJT型可能 |
| 带外噪声 | 滤波器自然衰减 | 运放噪声可能抬高噪底(需加后置RC滤波) |
| 杂散产生 | 无(纯线性) | 运放非线性导致谐波和IM产物 |
工程规则:当运放噪声贡献 电荷泵噪声贡献的 时,有源滤波器对整体相位噪声的退化可忽略。
运放选择准则
选择适合PLL环路滤波器应用的运放时,需综合考虑以下关键指标:
增益带宽积(GBW)
运放的GBW必须远大于环路带宽 ,以避免引入额外相移降低相位裕度:
对于 的设计,建议 GBW 。GBW不足时,运放的高频极点会与滤波器极点相互作用,导致实际相位裕度显著低于设计值。
压摆率(SR)
VCO调谐电压的大信号阶跃要求运放有足够的压摆率避免失真:
实例:, 时,需 。
噪声指标
- 电压噪声:(@10kHz),优选
- 电流噪声:(JFET输入型通常更优)
- 拐角频率:,避免低频相位噪声恶化
直流特性
- 输入失调电压 (过大偏移会改变VCO调谐电压工作点,导致频率偏移)
- 失调电压温漂
- 开环增益 (保证闭环精度和线性度)
- 电源抑制比 PSRR (抑制电源噪声耦合)
常用运放选型推荐
| 运放型号 | 输入类型 | GBW | (nV/√Hz) | 适用场景 | |
|---|---|---|---|---|---|
| OPA227 | BJT | 8 MHz | 3.0 | 1 pA/√Hz | 通用低噪声, |
| OPA140 | JFET | 11 MHz | 5.1 | 0.8 fA/√Hz | 低电流噪声,高阻抗设计 |
| ADA4898 | BJT | 65 MHz | 0.9 | 2 pA/√Hz | 超低电压噪声, |
| OPA1611 | BJT | 40 MHz | 1.1 | 1.5 pA/√Hz | 音频级低失真,通用高性能 |
| OPA2188 | CMOS | 2 MHz | 8.5 | 0.2 pA/√Hz | 零漂移, 精密应用 |
| AD797 | BJT | 8 MHz | 0.9 | 2 pA/√Hz | 超低噪声低带宽 |
有源滤波器的极点计算
有源滤波器的极点计算相对简单:
- 二阶:
- 三阶:,非常简洁
- 四阶:求解二次方程
Gamma 优化因子在有源滤波器中的修正模型
Gamma 优化因子最初是为被动滤波器定义的(,其中 )。但在有源拓扑中, 不再等于所有电容之和,Gamma 的定义和选择规则需进行系统修正。
有源拓扑中 A0 与 Gamma 定义差异
| 指标 | 被动滤波器 | 有源滤波器 |
|---|---|---|
| (仅积分电容) | ||
| 位置 | 与 R2 串联接地 | 与 R2 串联接运放输出 |
| (相同) | ||
| Gamma |
关键差异:有源滤波器中 (而非 ),导致相同设计规格下 。
γ 的转换公式
从被动拓扑到有源拓扑的 Gamma 转换:
修正后的有源 Gamma 定义:
其中 为相同规格下被动拓扑的等效 Gamma 值。
有源 Gamma 的实际选择策略
由于有源滤波器中 的含义不同,Gamma 的推荐范围也需相应调整:
有源二阶滤波器 Gamma 选择(标准反馈拓扑):
,
| 等效被动 γ | 有源 γ(C1 仅积分电容) | 推荐 C1/C2 比 | 典型应用 |
|---|---|---|---|
| 0.05-0.08 | 0.15-0.25 | 1:4 至 1:3 | 锁定时间优先 |
| 0.10-0.15 | 0.30-0.50 | 1:2 至 1:1 | 均衡设计 |
| 0.18-0.25 | 0.50-0.70 | 1:1 至 3:2 | 噪声优先 |
设计规则:有源二阶滤波器中, 对应被动等效 ,此时锁定时间和噪声的综合性能最优。
运放有限 GBW 对 γ 的修正
运放有限增益带宽积(GBW)引入的相移会降低有效相位裕度,需对设计 Gamma 进行补偿:
GBW 退化定量表(目标 ,等效 ):
| GBW / 比 | PM 退化 | 需补偿的 γ 增量 | |
|---|---|---|---|
| 100 | 0.396 | 忽略 | |
| 50 | 0.392 | ||
| 20 | 0.385 | ||
| 10 | 0.370 | ||
| 5 | 0.350 |
工程规则:GBW/ > 20 时 GBW 影响可忽略;GBW/ < 10 时必须在设计 γ 基础上增加 0.05-0.10 以补偿运放相移。
运放输出阻抗对 γ 的扰动
运放有限开环输出阻抗 与滤波器串联,产生额外零点:
在 处,,因此 。若此值超过 R2 的 1%,有效 γ 会出现可测量偏差。
设计建议:
- 优先选择 GBW 余量 > 10× 的运放(GBW > 10 · )
- 有源滤波器设计中应将 γ 的选择范围上移 0.05-0.10(相对于等效被动设计)
- 差分拓扑的 γ 选择与单端一致,但需额外考虑共模反馈对 的影响
Ch.25: Active Loop Filter Using the Differential Phase Detector Outputs
差分输出利用
部分 PLL 鉴相器提供差分(互补)输出信号。常规使用仅利用单端输出,差分方案则同时利用两路输出。
拓扑方案
利用 PFD 的差分输出可以构造特殊的环路滤波器拓扑,关键优势在于:
- 不需要额外的外部偏置电压
- 有效共模抑制
有源滤波器完整设计实例
为便于与无源方案对比,沿用无源二阶实例的规格:
设计规格:
- MHz, kHz,
- mA, MHz/V
- 目标 kHz,相位裕度
- VCO 调谐电压范围 V(超出电荷泵 V 供电,必须使用有源滤波器)
运放选择:选用 OPA227 (GBW=8MHz, nV/√Hz),满足 GBW 要求。
计算过程:
- rad/s
- s
- s(二阶近似)
- 有源二阶 F
- nF, nF
- kΩ
与无源方案对比:
- 元件值完全相同(二阶有源与无源数学等价)
- 但实际中 两端的直流电压由运放维持,允许使用低压电容
- 需要额外提供运放供电(V 或 V)
- 整体相位噪声预计恶化 dB(OPA227 的 nV/√Hz 贡献)
有源三阶滤波器设计
有源三阶滤波器在二阶基础上增加 R3-C3 分支,提供额外的杂散抑制。
传递函数与系数
有源三阶的 A0 仍为 (与二阶相同),A1, A2 为:
传递函数为:
设计方程
给定 、、(同无源三阶的选取原则):
- 选择 后,
- ,
- 元件值由系数方程组反求
设计实例
沿用相同规格(,),:
| 参数 | 值 | 与被动三阶对比 |
|---|---|---|
| C1 | nF | 相同 |
| C2 | nF | 相同 |
| C3 | nF | 相同 |
| R2 | kΩ | 相同 |
| R3 | kΩ | 相同 |
有源三阶与被动三阶在数学上等价,元件值相同。差异在于有源方案需要运放供电,但允许 VCO 调谐电压超过电荷泵电源电压。
运放选型的定量准则
除了上述定性准则外,以下定量公式有助于在设计中精确评估运放对 PLL 性能的影响。
GBW 对 的精确修正
运放的有限 GBW 在滤波器传递函数中引入一个等效的附加极点。修正后的有源滤波器传递函数:
其中 为反馈系数(对于标准反馈拓扑,)。
GBW 不足导致的相位裕度损失:
定量设计要求:
| 设计要求 | GBW / 比值 | |
|---|---|---|
| 最低要求 | (不可忽略,需在设计 PM 中预留) | |
| 推荐 | (可接受,PM 预算中扣除) | |
| 严格 | (可忽略) | |
| 保守 | (完全可忽略) |
设计规则:目标 PM 应为 。例如若要求锁定后 PM ,GBW/ 时,滤波器设计目标 PM 应为 。
压摆率对阶跃响应的约束
VCO 调谐电压的大信号阶跃要求运放具有足够的压摆率。频率跳变 对应的 VCO 调谐电压变化:
压摆率需满足:
实例计算:
- MHz, MHz/V → V
- kHz → rad/s
- kV/s V/s(多数运放轻松满足)
严格案例:
- MHz, MHz/V → V
- kHz → rad/s
- V/s(需高速运放,如 ADA4898)
运放噪声对 PLL 相位噪声的定量贡献
运放电压噪声 通过以下路径贡献到 PLL 输出相位噪声:
带内简化公式():
判断是否可忽略的标准:当 dB 时,运放噪声贡献可忽略。
选型量化流程
输入:Fc, Kvco, Kϕ, N, ΔFtune, PN_spec
│
├─ GBW 选择:GBW ≥ 10 × ωc(若 Δϕ_GBW < 5°)
├─ SR 验证:SR ≥ ΔVtune × ωc/(2π)
├─ en 验证:L_op-amp < L_PFD - 10 dB
├─ Vos 验证:Vos × Kvco < ΔF_channel/10
└─ PSRR 验证:PSRR > 80 dB @ Fcomp
│
▼
输出:满足所有约束的运放型号
CMRR 定量分析与设计要求
共模抑制比(CMRR)定义了运放抑制共模信号的能力。在有源环路滤波器中,CMRR 的重要性常被低估——它在以下三个方面直接影响 PLL 性能。
CMRR 对参考杂散的贡献
有源滤波器中,电荷泵输出的共模纹波(来自 PFD 的 和 路径)通过运放的有限 CMRR 转换为差模电压:
其中 是运放在参考频率处的 CMRR(通常随频率升高而下降)。
杂散贡献量化:
- 电荷泵共模输出纹波 (典型 mV@)
- 经 CMRR 转换后出现在 VCO 调谐端:
- 对应的参考杂散:
| 运放 CMRR @ | mV 时 | 等效杂散(MHz/V, kHz) |
|---|---|---|
| 60 dB | V | dBc |
| 80 dB | V | dBc |
| 100 dB | V | dBc |
| 120 dB | nV | dBc |
设计要求:若系统参考杂散指标为 dBc,则 CMRR @ 需 dB。
CMRR 频率响应
运放的 CMRR 并非平坦常数,而是随频率升高以 dB/dec 滚降:
其中 是 CMRR 的主导极点频率(通常 Hz,远低于 )。
| 运放类型 | CMRR(DC) | CMRR @ kHz | CMRR @ MHz | |
|---|---|---|---|---|
| OPA227 (BJT) | 120 dB | 50 Hz | 80 dB | 54 dB |
| OPA140 (JFET) | 110 dB | 100 Hz | 76 dB | 50 dB |
| ADA4898 (BJT) | 125 dB | 200 Hz | 93 dB | 67 dB |
| OPA2188 (CMOS) | 135 dB | 10 Hz | 81 dB | 35 dB |
关键发现:在 MHz 的高频 PLL 设计中,CMRR 的滚降可能使杂散恶化 dB。使用 BJT 运放(如 ADA4898)因其较高的 而具有更好的高频 CMRR。
差分输出拓扑中的 CMRR 优势
当使用 Ch.25 的差分输出拓扑时,共模抑制来自两个层面:
- 运放自身的 CMRR:抑制 和 路径共享的共模分量
- 差分结构的共模抵消:两路输出取差,理想情况下抵消所有共模成分
差分结构的等效 CMRR:
其中 是差分结构的共模增益比。对称设计时,额外提供 dB 改善。
| 拓扑 | 有效 CMRR @ | 杂散改善(vs 单端有源) |
|---|---|---|
| 单端有源(标准反馈) | 取决于运放 CMRR | 基准 |
| 差分输出 + 对称布局 | 运放 CMRR + 10 dB | dB |
| 差分输出 + 匹配修调 | 运放 CMRR + 20 dB | dB |
CMRR 测量与验证方法
实验室 CMRR 测试(适用于 PLL 应用场景):
- 断开电荷泵,在运放输入端注入共模正弦信号( mV @ )
- 用频谱仪测量 VCO 调谐端的输出信号幅度
- 计算 CMRR:
- 改变注入频率,扫描得到 CMRR 频率响应曲线
工程设计规则:
- 对于 kHz 的 PLL,CMRR dB @ 即可满足杂散要求
- 对于 MHz 的高频 PLL,必须选择高 的运放(如 ADA4898)
- 差分输出拓扑可额外提供 dB 的共模抑制(无需更高 CMRR 运放)
- PCB 布局不对称会劣化差分拓扑的额外 CMRR 改善——匹配走线长度和寄生
| 不满足的指标 | 典型后果 | 工程对策 |
|---|---|---|
| GBW | 相位裕度降低,可能不稳定 | 增大设计目标 PM 补偿;或更换高速运放 |
| SR 不足 | 大信号阶跃响应失真,锁定时间延长 | 降低 步长(多步跳频);或更换高压摆率运放 |
| 过高 | 带内相噪恶化,降低 SNR | 选用低噪声运放( nV/√Hz);或采用无源前置滤波 |
| 过大 | VCO 调谐点偏移,频率误差 | 使用 auto-zero/chopper 运放;或后台数字校准 |
| PSRR 不足 | 电源噪声耦合到 VCO 调谐端 | 增强电源去耦;或使用 LDO 单独供电 |
有源四阶滤波器设计
有源四阶滤波器增加 R4-C4 分支,但 A0 仍为 (与阶数无关)。
传递函数与极点方程
有源四阶滤波器的极点多了一个,但极点求解比被动四阶简单得多——只需解二次方程而非三次方程:
将 的两个根分别对应 和 , 由二阶关系给出:
有源四阶不会出现被动四阶中的复极点问题——这是有源拓扑的核心优势之一。
设计实例
沿用相同规格,,:
| 参数 | 值 | 说明 |
|---|---|---|
| C1 | nF | 与被动四阶相当 |
| C2 | nF | 零点电容 |
| C3 | nF | 第三极电容 |
| C4 | nF | 第四极电容 |
| R2 | kΩ | 零点电阻 |
| R3 | kΩ | 第三极电阻 |
| R4 | kΩ | 第四极电阻 |
有源 vs 被动四阶关键差异:
| 特性 | 被动四阶 | 有源四阶 |
|---|---|---|
| 极点方程阶数 | 三次(可能复极点) | 二次(始终实根) |
| A0 | 所有电容之和 | (固定) |
| 总电容 | 较大 | 较小(C3/C4 不贡献到 A0) |
| 设计复杂度 | 高(需数值迭代) | 低(解析求解) |
| 需要运放 | 否 | 是 |
差分输出拓扑深入分析
基本原理
标准PFD提供 和 两路互补输出。常规设计仅使用 到电荷泵,差分设计方案同时利用两路信号,构造对称的环路滤波器结构。
传递函数
差分输出拓扑的等效传递函数与标准反馈拓扑相同,但具备以下优点:
- 两路对称滤波器的输出取差后消除了共模噪声
- 共模偏置 由差分结构自然产生,无需额外偏置电路
- 参考杂散中的共模分量被抵消
设计公式
差分输出拓扑中,每路的滤波器系数计算与标准反馈拓扑相同,但整体传递函数需考虑差分路径的叠加:
当两路完全对称时,,等效总电容翻倍。
| 特性 | 标准反馈 | 差分输出 |
|---|---|---|
| 元件数量 | 较少 | 较多 |
| 偏置需求 | 需要 Vcc/2 | 无需外部偏置 |
| PLL 兼容性 | 通用 | 需特定芯片 |
| 噪声性能 | 取决于运放 | 共模抑制好 |
设计准则总结
- 仅在必须时才使用有源滤波器(VCO 调谐电压超出电荷泵范围)
- 优先使用标准反馈拓扑
- 运放选择低噪声、低漂移型
- 有源滤波器设计时 A0 = C1+C2 始终成立,不随阶数变化
- 四阶有源滤波器的极点计算可以解析求解(二次方程),无需像被动四阶那样数值求解
与现有知识的联系
- 环路滤波器与电荷泵PLL — 有源滤波器也是一种环路滤波器实现方式
- Banerjee 环路滤波器优化与实现 — 运放选择准则和工程实现细节
- Dean Banerjee PLL Performance Simulation and Design 深度解析 — 来源页
关键公式
| 概念 | 公式 | 章节 |
|---|---|---|
| 有源 A0 | (与阶数无关) | Ch.24 |
| 有源滤波器传递函数 | Ch.24 | |
| 二阶极点 | Ch.24 | |
| 三阶极点 | Ch.24 | |
| 四阶极点方程 | Ch.24 | |
| 运放 GBW 要求 | Ch.24 | |
| 运放 SR 要求 | Ch.24 | |
| 噪声传递函数 | $S_\phi(f) = | CL(s) |
| 差分输出阻抗 | Ch.25 |
参考文献
- Banerjee, D. (2006). PLL Performance, Simulation, and Design (4th ed.), Ch.24-25, App.A.