芯耀
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让我们在这篇文章里一起来聊聊射频锁相环和频率合成器里的关键参数与规格指标。吃透这些核心性能参数，能帮你顺利设计出低噪声、工作稳定的锁相环系统。正式讲参数之前，我们先快速回顾一下锁相环的基础原理。
第一个问题：锁相环的环路到底在哪？整套环路就在这里。绝大多数关键参数都和N分频器、压控振荡器、鉴相频率以及环路滤波器息息相关。
第二个问题：我们要让哪两路信号完成相位同步？锁相环的核心目的，就是让R分频输出信号和N分频反馈信号相位对齐。
最后一个问题：使用锁相环频率合成器要做哪些工作？核心就是合理设计环路滤波器，以此满足系统对相位噪声、锁定时间、杂散抑制的各项要求。
想要做好这一点，就得搞懂锁相环合成器的关键参数，分别是鉴相频率、电荷泵电流、压控振荡器增益、锁相环与压控振荡器噪声、杂散以及锁定时间。
我们先从锁相环噪声说起。锁相环主要有三类噪声来源：第一种是闪烁噪声，也叫1/f噪声，之所以叫这个名字，是因为它的噪声功率和频率成反比。
第二种是锁相环噪声基底，也就是品质因数FOM，也常被称作平坦噪声，从波形图能看出来，它的噪声曲线是一条水平线。
这两类噪声的参数一般都能在器件手册里查到，常规产品的1/f噪声优于-120dBc/Hz，噪声基底品质因数优于-230dBc/Hz。
这两种噪声基本决定了锁相环本身的性能，而且没法人为调整。最后一类噪声来自锁相环内部的N分频器，经过N分频后，噪声基底会增加20logN。
这也是小数分频锁相环应用更广泛的原因，小数分频能灵活选用更小的分频系数N，压低噪声。
把所有噪声叠加到一起，得到的就是锁相环带内噪声。注意，这里举例的噪声数据还没叠加环路滤波器带来的频响特性。
锁相环里鉴相器的工作频率，等于参考时钟经过R分频后的频率。鉴相器会对比R分频、N分频两路信号的相位，然后输出误差信号给到电荷泵。
只有R分频输出信号的上升沿，才会触发相位对比。前面我们提到，分频系数N越小越好，能降低锁相环带内噪声，想要做到这点，就要抬高鉴相频率。
可以选用更高频的参考时钟，甚至直接跳过R分频器。现在大部分新款锁相环，都会在R分频前面集成参考倍频器。如果手头没有高频参考时钟，倍频器就能帮我们拉高鉴相频率。
鉴相器后面就是电荷泵，每次启动时，电荷泵会持续灌入或者抽出恒定电流。电流大小是固定的，但导通时长不固定，由R、N两路信号的相位差决定，原理有点类似脉冲宽度调制。
电荷泵电流大多能通过软件分多档调节，每一档大概一百微安到几毫安，不同芯片规格不一样。想要实现更宽的环路带宽，就得把电流调大；调小电流则能抑制鉴相杂散。有些场景会特意选用小电流，这样在相同环路带宽下，环路滤波器就能用容值更小的电容。
图里画的是一款典型LC谐振振荡器，电路里集成了变容二极管，靠它构成谐振回路，所以振荡器的输出频率能够调节。
锁相环里的环路滤波器，作用是把电荷泵输出的电流信号转换成电压信号，这个电压加载到压控振荡器的变容管上，就能改变输出频率，可调范围一般在±10%~15%。
为了覆盖更宽的调频区间，现在的锁相环合成器芯片内部通常集成多个压控振荡器。压控振荡器增益KVCO，用来衡量控制电压变化和输出频率变化之间的对应关系。
变容二极管的特性不是线性的，所以压控振荡器在最低频和最高频工作时，KVCO数值不一样。不同芯片、不同架构、不同输出频率下，KVCO跨度很大，从几MHz/HZ到上百MHz/HZ都有。
压控振荡器的相位噪声对整套锁相环至关重要，它决定了环路锁定后远端相位噪声的水平。如果压控振荡器用作接收机本振，远端相位噪声会直接影响整机性能，比如邻道选择性、互调干扰、阻塞指标等等。
振荡器的品质因数Q直接决定相位噪声好坏，Q值越高，相位噪声性能越优。相位噪声的定义是：载波和偏移频点之间的单边带功率差值，归一化到1Hz带宽内，单位是dBc/Hz，同时要标注对应的偏移频率。
聊相位噪声的时候，一定要说明对应的载波频率，不能直接对比两款不同工作频率压控振荡器的相位噪声。举个标准说法：2.1GHz载波，100kHz偏移处相位噪声为-121dBc/Hz。
杂散是载波旁边等间隔出现的多余无用信号，杂散会恶化系统性能，严重时还会超出电磁辐射法规限值。我们简单梳理一下常见杂散类型。
第一种是鉴相杂散，顾名思义由鉴相器产生；第二种是小数杂散，只有小数分频锁相环才会出现，杂散频点等于分频系数的小数部分乘以鉴相频率。
部分情况下，次小数杂散幅度会比主小数杂散更大，出现在小数杂散频率的二分之一或者四分之一处。鉴相杂散和小数杂散都由锁相环自身产生，理论上可以通过调整环路参数、环路带宽来优化抑制。
串扰杂散处理起来比较麻烦，一是这类杂散频点离载波很近，二是串扰的幅度很难预判。杂散相关知识点很深，我们这期简单带过，后续会有专门视频详细讲解。
在所有杂散里，鉴相杂散相对更容易通过设计优化。产生串扰的路径有很多，比如鉴相器和输出端之间、参考时钟和输出端之间、参考时钟和压控振荡器之间互相串扰。各类杂散指标最好控制在-70dBc甚至-80dBc以下。
环路锁定状态下，切换压控振荡器输出频率后，环路需要一段时间才能稳定到目标频率，这个过渡时长就是锁定时间。锁定快慢由锁相环环路带宽决定。
一般来说，环路带宽越宽，锁定速度越快。锁定时间有个简易估算公式：4除以环路带宽。举个例子，环路带宽1KHz时，锁定时间大约4ms。
射频锁相环合成器的核心参数我们就全部讲完了，接下来看看这些参数在环路滤波器设计里该怎么运用。
图里展示的是离线仿真工具PLLATINUMSIM的操作界面。给定目标压控输出频率后，选定的鉴相频率会直接算出N分频系数。
前面也说过，N分频系数越小，锁相环噪声越低。
计算无源环路滤波器元器件参数时，需要用到电荷泵电流，新款合成器的电荷泵增益基本都能软件配置。
环路滤波器参数计算同样需要压控振荡器增益，但和电荷泵增益不一样，用户没法自行调整，完全由压控振荡器内部架构决定。
设计环路滤波器时不需要压控振荡器相位噪声参数，但想要算出整套闭环锁相环的总相位噪声，就必须用到它。闭环锁相环的远端相位噪声，基本由压控振荡器决定。
大家可以导入压控振荡器噪声曲线，让仿真结果更贴合真实情况。与之相反，锁相环自身噪声决定了近端相位噪声。
到这里，大家就能明白各项关键参数是怎么参与环路滤波器设计计算的。
