Design a PLL Filter When Only the Zero Resistor and Capacitor Are Adjustable By Ken Gentile Introduction PLL System Function As described in the references, a standard procedure can be used to determine the values of R0, C0, and CP for a secondorder loop filter in a phase-locked loop (PLL). It uses openloop bandwidth (ω0) and phase margin (ΟM ) as design parameters, and can be extended to third-order loop filters to determine R2 and C2 (Figure 1). The procedure solves for CP directly and subsequently derives the remaining values. The small signal model shown in Figure 2 provides the means for formulating the PLL response and a template for analyzing phase variation at the output resulting from a phase disturbance at the input. Note that the voltage-controlled oscillator (VCO), being a frequency source, behaves like an ideal phase integrator, so its gain (KV ) has a 1/s factor (the Laplace transform equivalent of integration). Hence, the small signal model of a PLL has frequency dependence (s = σ + jω). In some cases, CP , R2, and C2 may be fixed-value components integrated within the PLL, leaving only R0 and C0 available for controlling the loop response. This nullifies the aforementioned procedure because CP cannot be adjusted. This article proposes an alternative procedure that can be used when the value of CP is fixed, and addresses limitations imposed by the inability to control the value of CP . TO VCO CHARGE PUMP R0 CP TO VCO R2 R0 CHARGE PUMP CP C0 C2 C0 SECOND-ORDER LOOP FILTER THIRD-ORDER LOOP FILTER Figure 1. Typical second-order and third-order passive loop filters. Assumptions This loop filter design method relies on two assumptions that are typically used in third-order passive filter designs that extend a second-order loop filter design to third-order by compensating for the presence of R2 and C2 through adjustment of R0 and C0. (1) πΆπΆππ ) ππ2 (2) ππ +πΆπΆ0 πΆπΆππ πΆπΆππ (πΆπΆππ1+πΆπΆ )(ππ2 )in (2) ππ1 =transfer =0function, ππterms (2) The loop filter’s of T1, T2, and CP , 2 ππ πΆπΆ +πΆπΆ 0 is important because it plays a significant role in the overall 1 ππ π π ππ +1 response of the PLL: π»π» (π π ) = ( ) ( 1 ) ( 2 ) (3) πΆπΆππ π π (π π ππ1 +1) ππ2 ππ1 1 π π ππππ21+1 π π ππ2 +1 π»π»πΏπΏπΏπΏ (π π )π»π»=πΏπΏπΏπΏ((π π ) ) ( ) ()π π (π π ππ ) (3) (ππ1)+1) (π π (π π ππ ) πΆπΆππ =ππ( 2 πΆπΆππ 2 1 +1) 1 π»π»πΏπΏπΏπΏ (π π ) π»π»ππππ (π π ) = −πΎπΎ ( ) π π π π π»π»πΏπΏπΏπΏ (π π ) π»π»πΏπΏπΏπΏ (π π ) π»π»ππππ (π π )π»π»=ππππ−πΎπΎ (π π ) (= π π π π −πΎπΎ )( π π π π (4) ) Analog Dialogue 49-02, February 2015 π»π»ππππ (π π ) (4) (4) ππ1 = (πΆπΆ πΆπΆππ VCO (1) πOUT (1) 1/N (2) ) ππ2 FEEDBACK ππ +πΆπΆ0DIVIDER πΆπΆππ (2) Figure 2. Small signal ) ππ2 ππ1 =PLL(πΆπΆmodel. ππ +πΆπΆ0 The closed-loop transfer function (H ) forπ π ππ a PLL is defined 1 ππ1CL 2 +1 as θOUT /θIN . Theπ»π»open-loop (πΆπΆ ) (ππfunction ) (π π (π π ππ(H (3) OL ),)defined πΏπΏπΏπΏ (π π ) = transfer ππ 2 transfer 1 +1) as θFB /θIN , is related to the closed-loop function. It 1 ππ1 π π ππ2 +1 ( ) ( ) (π π (π π ππ ) the (3) is instructive to π»π» express because πΏπΏπΏπΏ (π π )H= CL inπΆπΆtermsππof HOL ππ 2 1 +1) open-loop transfer function contains clues about closed-loop π»π»πΏπΏπΏπΏ (π π ) stability: π»π»ππππ (π π ) = −πΎπΎ ( (4) ) π π π π π»π»πΏπΏπΏπΏ (π π ) π»π»ππππ (π π ) = −πΎπΎ ( π»π» π π π π ) (π π ) (4) (5) ) ππππ (π π ) π»π»ππππ (π π ) (5) ) (π π ) (ππππ) πππΆπΆππ A second-order loop filter has two time constants (T1 and T2) ππ2components: = π π 0 πΆπΆ0 (1) associated with its πΏπΏπΏπΏ FB KV /s π»π»πΆπΆπΆπΆ (π π ) = −ππ (1−π»π» Transfer Function of a Second-Order Loop Filter ππ + ππ2 = π π πΆπΆ − π ππ2 = π π 0 πΆπΆ0 HLF(s) LOOP FILTER K represents the combined gains of theππππ phase-frequency detector (PFD), charge pump, andπΎπΎVCO—that is, = KD KV , ππ1 π π ππ2K +1 ) ( ) ( ) (6) = − (current ππππ (π π ) pump where KD is theπ»π»charge in amperes and 2 π π πππΆπΆππ π π ππ1 +1 KV is ππ2 πΎπΎ HL F are ππ1 allπ π ππ +1 the VCO gain in Hz/V. HO L , HC L , and functions π»π»ππππ (π π ) = − ( shows ) (the ) (π π ππ2 +1 ) (6) of s. The negative sign in Equationπ π 24πππΆπΆ ππ2 phase ππ 1 inversion implied by the negative feedback to the summing node in πΎπΎ ππ ππππππ2 +1 in Equation to1subtraction Figure 2. Defining O L as = − ((ππππ)24 leads π»π»ππππH(ππππ) ) ( ) ( ) ππππππ1 +1 πππΆπΆππ ππ2an intuitive in the denominator of Figure 5, which πΎπΎ provides ππ1 ππππππ2 +1 explanation of closed-loop stability. π»π»ππππ (ππππ) = −( )( )( ) 2 2. T he load of the series combination of R2 and C2 on the R0-C0-CP network should be negligible. ππ1 = (πΆπΆ KD PFD AND CHARGE 0 0 PUMP π»π»πΆπΆπΆπΆ (π π ) = −ππ (1−π»π»ππππ 1. T he pole frequency resulting from R2 and C2 should be at least an order of magnitude greater than ω0 (the desired open-loop unity-gain bandwidth); specifically f0 ≤ 0.1/(2πR2C2), where f0 = ω0/(2π). ππ2 = π π ππ (1) 0 πΆπΆ 2 0= π π 0 πΆπΆ0 πIN πERR (3) ππ2 ππππππ1 +1 (7) (7) Inspection of Equation 5 reveals aπΎπΎpotential stability ππ1loopππππππ 2 +1 (ππ2 πππΆπΆ of ) (complex ) ( ) (8) problem. Givenπ»π»that HOL is= a function frequency ππππ (ππππ) ππππππ1 +1 ππ2 ππ (s = σ + jω), it necessarily has frequency dependent magnitude πΎπΎ ππ1 ππππππ +1 π»π»ππππ (ππππ) = (ππ2 πππΆπΆ ) (simultaneously ) (ππππππ2 +1) (8) and phase components. Therefore, if H ππ O L ππ2 1 exhibits unity gain and zero phase shift (or any integer πΎπΎ ππ1 multiple of 2π |π»π» radians) for any s, 1the ) √(1 + ππ (ππππ)| = (particular ) (value ) (of 2 πππΆπΆ ππ 1+(ππππ ππ denominator of Hππππ becomes zero, the closed-loop gain1 )2 ππ 2 CL πΎπΎ ππ1 1 becomes undefined, the = system becomes |π»π»ππππand (ππππ)| (ππ2 πππΆπΆ ) (ππ completely ) (1+(ππππ )2 ) √(1 + ππ ππ 2 unstable. This implies that stability is governed by the 1 frequency-dependent magnitude and phase characteristics of ∠π»π»ππππ (ππππ) =forππππππππππππ(ππππ 2 ) − ππππππππππππ(ππππ 1) HOL . In fact, at the frequency which the magnitude of HOL is unity, the phase far enough from zero (or OL must ∠π»π»ofππππH(ππππ) =stay ππππππππππππ(ππππ 2 ) − ππππππππππππ(ππππ1 ) any integer multiple of 2π) to avoid a zero denominator in Equation 5. 1 = (ππ 1=( πΎπΎ 2 0 πππΆπΆππ πΎπΎ ππ 1 ) (ππ1 ) (1+(ππ 2 ππ 2 0 ππ1 ) 1 ) ( 1 ) (1+(ππ ππ0 2 πππΆπΆππ ππ2 analog.com/analogdialogue ) √(1 + ππ0 2 ππ1 ππ2 2 0 ππ1 ) ) √(1 + ππ0 2 ππ1 ππ2 1 ) 1( ππ)(3) π»π»πΏπΏπΏπΏ (π π ) = (πΆπΆ ) (ππ ) (π»π»π π (π π ππ = (π π (π π ππ ) (3) 1( )π π ππ 2 +1 πΏπΏπΏπΏ (π π ) π π ππ21+1 ππ 2π»π» (π π ) 1 +1) πΆπΆ1( +1) 1 = ( ) ) (3) ππ )ππ( 2 πΏπΏπΏπΏ π»π»πΏπΏπΏπΏ (π π ) =πΆπΆππ(πΆπΆ ππ)2( π π (π π ππ ) (π π (π π ππ ) (3) π»π» (π π ) 1 +1) ππ2 ) (4) π»π»ππππ (π π ) = −πΎπΎ ( πΏπΏπΏπΏ ππ 1 +1) π»π»π»π»πΏπΏπΏπΏ (π π ) (π π ) π π π π πΏπΏπΏπΏ (π π ) = −πΎπΎ ( )) (4) π»π»π»π»ππππ ππππ (π π ) = −πΎπΎ ( π π π π The frequency, ω0, at which the magnitude great(4) importance. The phase of HOL at ω0 defines the phase π π π π holds π»π»πΏπΏπΏπΏ (π π ) of HOL is unity, π»π» (π π ) πΏπΏπΏπΏ π»π»ππππ (π π ) = −πΎπΎ ( π π π π ) (4) margin of the system ΟM . Both ω0 and ΟM can be derived from H . OL π»π»ππππ (π π ) = −πΎπΎπ»π»πΏπΏπΏπΏ ( π»π»(π π )π π π π ) (4) (π π )(π π ) πΏπΏπΏπΏ)(π π ) π»π»π»π»ππππ = −πΎπΎ ( π π π π (4)(4) (π π ) ) π»π» = −πΎπΎ ( ππππ ππππ ) (5) = −ππ (01−π»π» π»π» (π π ) π π π π Defining R0 and π»π» C0πΆπΆπΆπΆ in(π π ) Terms of π andπππππ(π π ) π»π»ππππ M ππππ (π π ) ) (π π ) (5) = −ππ ( π»π»π»π»πΆπΆπΆπΆ (π π ) = −ππ ( ) R and (5)C requires expressions containing those four variables 1−π»π» (π π ) of ππππ Using the design parameters ω0 and ΟπΆπΆπΆπΆ to(π π ) determine the values 1−π»π» 0 0 ππππ (π π ) π»π»Mππππ π»π» (π π ) ππππ (π π ) Start = −ππ (1−π»π» )4,(π π ) (5) π»π»πΆπΆπΆπΆ and other constant terms. with Equation because it defines π»π»(ππππ (π π ) HOL .)This includes = −ππ (5) HLF , which includes R0 and C0 via T1 and T2. π»π» πΆπΆπΆπΆ (π π ) π»π»ππππ (π π ) ππππ (π π ) = −ππ ( 1−π»π» (π π ) can (5) ) π»π»stands ππππ πΆπΆπΆπΆπ»π» ππto Since HOL has magnitude and phase, itπΎπΎ reason that ω and Ο be incorporated as well. (π π ) 0 M ) (5) =2 +1 −ππ (1−π»π» π π ππ 1−π»π» 1 ππππ (π π ) (π π )+1 π»π»ππππ (π π ) = − (π π 2 ) πΆπΆπΆπΆ ( ) ( ) (6) ππππ πΎπΎ ππ π π ππ 1 2 π π ππ +1 πππΆπΆ +1 ) ( ππ1yields ππ = 1 πΎπΎ π»π»π»π»ππππ ) (6) Substituting Equation 3 into Equation 4(π π ) and rearranging 6,(6) which presents HOL in terms of T1 and T2 along (π π ) =ππ2−−((π π π π ππ ) (ππππ2 ))((π π πππ π ππ12Equation 22πππΆπΆ terms ππππ +1 ) ππππ π π πππΆπΆ 2 1 +1 π π ππ +1 πΎπΎ ππ π π ππ +1 with constants K, N, and CP : 1 2 πΎπΎ ππ 1 2 (ππππππ)(π π ) (π π ππ=+1−) (πΎπΎ 2 (6)ππ)1( π π ππ π»π»ππππ (π π ) = − (π π 2 πππΆπΆ )π»π» ) (2 +1 ) (6) πΎπΎ) ( ππ 2 = 1 ( π π πππΆπΆ π π ππ12)+1 (6) (π π ) 1 π»π» ππ )ππ( 2 ππππ π»π»ππππ (π π ) ππ− = (πππΆπΆ ) ( ) ( ) (6) πΎπΎ +1 π π 2ππππππ π π ππ ππ +1 1 − 2 ππ 2 1 2 π π ππ1+1 +1 π»π»ππππ (ππππ) = − ((ππππ)2 πππΆπΆ ) (ππ ) (ππππππ ) ππππ1 ππ(7) ππ 2 ππππππ πΎπΎπΎπΎπ π πππΆπΆ 22 +1 ππππππ +1 1 ππ 2 1 (ππππ) π»π»π»π»ππππ ==−−of(((ππππ) ))((ππ ))((ππππππ +1)) (7) (7) ππππ (ππππ) Evaluation at s = jω, yields the frequency response HOL :22πππΆπΆ 22 1 ππππππ πΎπΎ ππ1 (ππππ) ππππππ2πππΆπΆ +1ππππ πΎπΎ ππ ππ1 1 +1ππππππ2 +1 π»π»ππππ (ππππ) = − ((ππππ)2 πππΆπΆ ) ( ) ( ) (7) (ππππ) πΎπΎ 2 ππ π»π»ππππ ) ( ππππππ ) (ππππππ ) (7) = −1(+1 2 +1 ππ= ππ 2 −ππππππ (ππππ)πΎπΎ πππΆπΆ 2)+1 (7) ) (ππππ)1()ππ(21ππππππ π»π» π»π»(ππππ) 1 2 πππΆπΆ ) ( ) (7) =2(+1 − ((ππππ) (ππππ) πΎπΎ ππππ ππ1(ππππ) ππππππ +1 ππππ ππ 2 1 2 πππΆπΆ ππππππ1 +1 (8) π»π»ππππ (ππππ) = (ππ2 πππΆπΆ ) (ππ ) (ππππππ ππ +1 ππ2 πΎπΎπΎπΎ +1) ππππ ππππππ 11 22 +1 ππππππ 2 2 ππ 2–ω (ππππ) The (jω) term in the denominator π»π» simplifies to= ( : 1 ))(( ))((ππππππ )) (8) π»π»ππππ (8) ππππ (ππππ) = (ππππ22πππΆπΆ ππ22 1 +1 ππππππ πΎπΎ ππ1 ππππππ2πππΆπΆ +1ππππ πΎπΎππ ππ1 1 +1ππππππ2 +1 π»π»ππππ (ππππ) = (ππ2 ) π»π» ( ) ( ) (8) (ππππ) ππ = ) ( ππππππ ) ( ππππππ ) (8) 2 +1 ππππππ πππΆπΆπ»π» ππππππ +1(πΎπΎππ 2 πΎπΎ ππ 2 πππΆπΆ 2)+1 (8) ) (ππππ)1()ππ(21ππππππ = (1= 1 2( (ππππ) ) ( ) (8) π»π»(ππππ) πΎπΎππππ ππ 1 ππ πππΆπΆ +1 2 12 2ππ ππ2+1ππππππππ (ππ2 πππΆπΆ )ππππ(ππ1 ) (1+(ππππ ππ11+1 ππ2 )2 + ππ 22(ππ2 −2ππ1 )2 2 (9) ππ√(1 πΎπΎπΎπΎ ππ )πππΆπΆ ππππ ππππ (ππππ)| The magnitude and|π»π» phase of HOL=are: 2) 11 1 ππ |π»π» (ππππ)| =2 ( )1)((ππ ))((1+(ππππ )2 ))√(1 + ππ 2ππ1 ππ2 ))2++ππππ 2(ππ (ππ22−−ππππ11))22 (9) |π»π»ππππ (9) ππππ (ππππ)| = (ππππ22πππΆπΆ 2 √(1 + ππ ππ1 ππ2 ππ 2 1 ) 1+(ππππ πππΆπΆ ππ πΎπΎ ππ1 1 ππ πΎπΎ 2 ππ1 2 1 1)2 2 2 2 2 2 (ππ ) |π»π»ππππ (ππππ)| = ( 2 |π»π» ) (ππππ ) (1+(ππππ + ππ 2+2−ππππ1ππ1 ππ22 ) (9) ππ 11ππ2 =1()πΎπΎ2ππ)2√(1 )1+ ( ππππ) (ππ1+(ππππ +2ππ (ππ2 − ππ21 )2 (9) 2 ) √(1 ππ πππΆπΆ ππ2 (ππππ)| πΎπΎ 1) )√(1 πππΆπΆ ) (ππ22(ππ |π»π»ππππππ 1 (ππππ)| = ( ) ( ) ( + ππ ππ ππ + ππ − ππ− ππ 2 1 2 2 1 2 1 )ππ )2 (9) (9) 2 ) + ππ |π»π»ππππ (ππππ)| =ππ2(πππΆπΆ ) ( 1+(ππππ ) (1+(ππππ ππ 2 1 1) 2 ) √(1 + ππ ππ1 ππ2 ∠π»π»ππππ (ππππ) = ππππππππππππ(ππππ 2 ) − ππππππππππππ(ππππ ππ 2πππππΆπΆππ 2 1ππ)2 (10) 1) (ππππ) ) ) ∠π»π» = ππππππππππππ(ππππ − ππππππππππππ(ππππ (10) (ππππ) ) ) 2 1 ∠π»π»ππππ = ππππππππππππ(ππππ − ππππππππππππ(ππππ (10) ππππ 2 1 (ππππ) ) ) ∠π»π» ππππππππππππ(ππππ − ππππππππππππ(ππππ (10) Keep in mind that T1ππππ and T2 are=shorthand expressions for algebraic combinations of R Evaluating Equation 9 at (ππππ) ) ) CP.(10) 2 1 ∠π»π» = ππππππππππππ(ππππ − ππππππππππππ(ππππ 0, C0, and ππππ 2 (ππππ) ) 1 magnitude = ππππππππππππ(ππππ − ππππππππππππ(ππππ (10)(10) of HOL is unity. ππππgain 2 )frequency 1the ω = ω0 and setting |HOL | = 1 defines the∠π»π» unity frequency, ω , as the at which (ππππ) ) ) 0 ∠π»π» = ππππππππππππ(ππππ − ππππππππππππ(ππππ ππππ 2 1 πΎπΎ ππ 1 ) (ππ1 ) (1+(ππ √(1 +11ππ0 2 ππ1 ππ2 )2 + ππ022 (ππ2 −2 ππ1 )2 2 (11) 2 πΎπΎπΎπΎ ππ )2ππ) 1 0)1( ππ1) ( 11==2 ((ππ 2πππΆπΆ (11) (ππ22−−ππππ11))2 ) ( 2 ) (1+(ππ √(1++ππππ00 2ππππ11ππππ22))2++ππππ00 2(ππ (11) 2 ))√(1 00ππππ 11))2 ππ00 21 1+(ππ πππΆπΆππππ πΎπΎππππ 2 πΎπΎ ππ1 ππ 1 2 2 2 2 1 Similarly, evaluating Equation 10 at ω = ω and setting ∠H = Ο defines the phase margin, Ο , as the phase of H at frequency 2 2 2 2 1 = (ππ 2πππΆπΆ ) (ππ ) (1+(ππ ππ1 ππ2 ) 2+ ππ0 (ππ − ππM)22 ) +(11) 01 = (πΎπΎ ) √(1 OL ππ 1 )OL(+ ππ )M(0 1+(ππ ) √(1 +2ππ ππ − ππ21 ) (11) 2 2 0 ππ11)ππ 2 0 (ππ 10 ππ) 0 ππ 2 1 = ( 0 ππ1 ) ππ)0 2πΎπΎπππΆπΆ ) (ππππ)1()ππ(211+(ππ + ππ −2 ππ− ω0 (the unity gain frequency). 2 ππ 0 ππππ12ππππ 2 ππ + 0 ππ(ππ22(ππ 1 )ππ )2 (11) 2 1 √(1 2 πππΆπΆ ) 1 = ( ) ( ) √(1 + + (11) ) ππ ππ 0 1 2 0 2 1 0 1(12))2 Φππ = ππππππππππππ(ππ0 ππ2 ) −0 ππππππππππππ(ππ ππ0 2πππππΆπΆππ 2 ππ02ππ1 )1+(ππ 0 ππ1 ) ) ΦΦππππ==ππππππππππππ(ππ ππππππππππππ(ππ00ππππ22 )−−ππππππππππππ(ππ ππππππππππππ(ππ00ππππ11) (12) (12) )and ) (12) Equation 01ππfor ππππππππππππ(ππ − ππππππππππππ(ππ ππ1substituting Φππto = 0 ππ11 2Φ ππππππππππππ(ππ (12) It is a trivial matter expand Equation Equation 12 0by Equation 2 for T1, which brings ππ = 0)ππ2 ) − ππππππππππππ(ππ 1 ) T2 and 2 ) = ππππππππππππ(ππ ππ − ππππππππππππ(ππ ππ (12) Φ 2 2 +2πΎπΎπΆπΆ 2 ππ 0 2 0 1 (Φ ) πΎπΎ ππππ0 2 ) K, N, πΎπΎπΎπΎ√1−cos have succeeded in relating ω and Ο to the variables R and withππconstants R0 and C0 into the equations. Hence,ππwe ) ) (12) ππ22 0− ππππππππππππ(ππ ππ1 Φππ = ππππππππππππ(ππ ππ 0 Ccos(Φ ππ )+(πΆπΆ 0 ππ M 0ππππ 0 along 0 0 2 2 22 2 π π = πΆπΆ = − ( ) )+(πΆπΆ 2 2 πΎπΎπΎπΎ +2πΎπΎπΆπΆ cos(Φππ ππππ00πΎπΎπΎπΎ√1−cos 0π΄π΄ 2 2 2 2(Φ 2 2 +πΎπΎ cos(Φ ππππππππ ππππππππ and CP . (Φππππ)) 0π΄π΄ ππππ0ππ ππππ00 2)) πΎπΎπΎπΎ√1−cos ππππ= ππππ= πΎπΎ2 +2πΎπΎπΆπΆ 0 ))cos(Φ ππ )+(πΆπΆ 0 cos(Φππ )+(πΆπΆ ππ ππππ0 ) 0 (πΆπΆ ππ ππππ 0 +2πΎπΎπΆπΆ π π π π ππ0π΄π΄ πΆπΆ − ( )) πΆπΆ0π΄π΄ ( 2 2 2 2 222+πΎπΎ cos(Φ )) 0π΄π΄ =πΎπΎπΎπΎ22+2πΎπΎπΆπΆ 0π΄π΄ = − 2 cos(Φ ππππ 20) 2 +2πΎπΎπΆπΆ ππππ)+(πΆπΆ 00 2))2 0022(πΆπΆ ππππππππ ππππ )) 2 (Φππππππππ )+(πΆπΆππππππππ (πΆπΆππππ +2πΎπΎπΆπΆ ππππ cos(Φ ππππ ππππ ππππ +πΎπΎ cos(Φ 2 )+(πΆπΆ ) 00 2cos(Φ πΎπΎ ππππ 2 0 ππ πΎπΎπΎπΎ√1−cos 2 ® ππ 0 ππ ππ 0 0 ππ )+(πΆπΆ (Φ ) πΎπΎ)+(πΆπΆ +2πΎπΎπΆπΆ 2 2 0 cos(Φππ ππ ππππ ππ ππππ ππThe symbolic Simultaneously solving equations for R0 2and Cππ no trivial task. processor in ππMathCad 2 2ππ (Φ )0 0isπΎπΎπΎπΎ√1−cos ππππ0 2 cos(Φ ππππ ππ π π πΎπΎπΎπΎ√1−cos 2 (Φ π π 0π΄π΄ =the2resulting πΆπΆ0π΄π΄ ) 2 ππ 02 ) )+(πΆπΆππ ππππ ) = − ( 2πΎπΎ2 +2πΎπΎπΆπΆ πΎπΎcos(Φ ππππ cos(Φ ππ0πππΎπΎπΎπΎ√1−cos = =2available − (+2πΎπΎπΆπΆ 22 2 0 2 )2 2 2ππ πΆπΆππππ ππ)) 0 ) 2 +2πΎπΎπΆπΆ 0π΄π΄ arccos 2ππ 2+πΎπΎ 22cos(Φ 22)ππ 2 +2πΎπΎπΆπΆ 20ππππ 2 +πΎπΎππ ππππ 22(ΦπΆπΆ ( equations, ) = − ( ) π π 0π΅π΅ =πΎπΎ −+2πΎπΎπΆπΆ )+(πΆπΆ (Φ )ππ ππππ πΎπΎ cos(Φ ππππ ππ πΎπΎπΎπΎ√1−cos ππ πππππ π 0 cos(Φ ππ )+(πΆπΆ ππ ππππ 0ππ 0πΆπΆ(πΆπΆ ππ 0π΄π΄ 0 ππ can solve the two simultaneous but must be substituted for arctan. This transformation enables the symbolic )+(πΆπΆ ) (πΆπΆ )) 2 )+(πΆπΆ ) ππππ cos(Φ ππππ ππππ cos(Φ πΎπΎ πΎπΎ +2πΎπΎπΆπΆ ππππ ππππ ππ πΎπΎπΎπΎ√1−cos ππ 0 0π΅π΅ 0 ππ = = − ( 0 ππ 0 0 ππ 0 ππ 2 2 2 2 2 2 ππ 0 ππ ππ 0 0 ππ )+(πΆπΆ (Φ ) πΎπΎ0 − +2πΎπΎπΆπΆ ππ0 πΎπΎπΎπΎ√1−cos 0π΄π΄ 0π΄π΄(πΆπΆ +2πΎπΎπΆπΆ= ππππ ππππ +πΎπΎ(cos(Φ πΎπΎ π π 2 0 ) 2 ππ ππππ2ππ 0 ))cos(Φ ππ ππ ππππ0 ) ππ ππππ 2 )2 ) πΆπΆ ππππ0 ππ 0(πΎπΎ ππ )+(πΆπΆ ππ ππππ π π −− =22+2πΎπΎπΆπΆ πΆπΆ−− ππππ = ((0D= 0π΄π΄ 0π΄π΄ ππ ππππππ 0 2 cos(Φ ππ )+(πΆπΆ ππ R 0,2C2 2;))R 0 (πΆπΆ ππ 0 +πΎπΎ2cos(Φππ )) )) 2 +2πΎπΎπΆπΆ 20CπΆπΆ 2 cos(Φ 2ππππ (πΎπΎcos(Φ π π 0π΅π΅ the following solution sets (R ,ππC)+(πΆπΆ ,0π΅π΅ C and R , C0Dππππ ). See Appendix processor to solve for R0 and C0, yielding 22(πΆπΆthe 222+πΎπΎ (πΆπΆ )) ππππ ππππ ππππ +πΎπΎ cos(Φ πΎπΎ 0A 0A ;ππππ 0Bππππ 0B 0C ; = 0π΅π΅ = 0π΅π΅ )+(πΆπΆ ) )) +2πΎπΎπΆπΆ ππππ cos(Φ ππππ cos(Φ 2 2 2 2 ππ 0 ππ 0 0 ππ 0 ππ 2 2 2 ππππ )+(πΆπΆ ππππ2ππππ 00 )πΎπΎ +2πΎπΎπΆπΆ ππππ cos(Φ ππππ 0 (πΆπΆ ππππ ππππ 0) ππππ )) 2 (Φππππ ππππ cos(Φ πΎπΎ +2πΎπΎπΆπΆ 2 cos(Φ ) 00 ππ 0 +πΎπΎ ππ0toπΎπΎπΎπΎ√1−cos ππ 0 ππ )+(πΆπΆ ππ ππππ 0ππ ππππ ππfunction. (Φππ ) πΎπΎ02 +2πΎπΎπΆπΆ for details on transforming use the arccos 0 cos(Φππ )+(πΆπΆππ ππππ 0 πΎπΎπΎπΎ√1−cos 2 2 2 2 ( 2 +2πΎπΎπΆπΆ12ππππ ) πΆπΆ = − ( ) π π 0π΅π΅ = −Equation )+(πΆπΆ ππππ20 cos(Φ ππ0 πΎπΎπΎπΎ√1−cos = − ( 2 +2πΎπΎπΆπΆ ) πΆπΆ −πΎπΎ (+2πΎπΎπΆπΆ π π 2 cos(Φ 2 )2 2 0π΅π΅(Φ2ππ ) 2 +πΎπΎ ππ)) ππ ππ ππππ0 ) 2 cos(Φ 0π΅π΅ 0= 2 πΎπΎ )+(πΆπΆ πΎπΎ2 +2πΎπΎπΆπΆ ππππ ππ ππ ππ ππππ ππ )+(πΆπΆ (πΆπΆππ0ππππ )) ππππ ππππ πΎπΎ ππ ππππ0ππ ππππ 0 πΎπΎπΎπΎ√1−cos ππ )ππ ππππ0ππππ = − ( ππ2()+(πΆπΆ )2 )20)πΆπΆ2 (πΆπΆ =− (−cos(Φ π π 0π΅π΅π π 00π΅π΅ 0 cos(Φππ(Φ 0ππ ππππ 0 +πΎπΎππcos(Φ 0π΅π΅πΆπΆ 2 cos(Φ 2 )2 2 (πΆπΆ 2 +πΎπΎ = ( )+(πΆπΆ ππππ ππππ ππππ ππππ cos(Φ πΎπΎ +2πΎπΎπΆπΆ 0π΅π΅ = − 0π΅π΅ ππ 0 ππ ππ 0 0 ππ 0 ππ )) )) 2 2 (πΆπΆ ππππ 2 +πΎπΎ cos(Φ 2 +2πΎπΎπΆπΆ ππππ 2 cos(Φ )+(πΆπΆ 2 )2 2 ππππ ππππ πΎπΎ 2 2 2 ππ 0 πππΎπΎπΎπΎ + 2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆ ππ ππππ0πΎπΎπΎπΎππππ0 cos( Φππππ) + οΏ½πΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎππππ0 οΏ½ 0 ππ 0 ππ ππππ0πΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎοΏ½1− cos ( Φππππ) οΏ½ πΆπΆπΆπΆ0π΄π΄π΄π΄ = − οΏ½ π π π π 0π΄π΄π΄π΄ = 2 2 2 2 2 2 1 = (ππ 2 0 πππΆπΆππ πΎπΎπΎπΎ + 2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎππππ0 cos( Φππππ) + ( πΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎππππ0 ) ππππ0πΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎοΏ½1−cos2( Φππππ) οΏ½ 2 πΎπΎπΎπΎ + 2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎππππ02 cos( Φππππ) + ( πΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎππππ02 ) 2 π π π π 0π΅π΅π΅π΅ = − οΏ½ π π π π 0πΆπΆπΆπΆ = ππππ0 πΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎοΏ½1− cos2( Φππππ) 2 πΎπΎπΎπΎ − 2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎππππ02 cos( Φππππ) + ( πΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎππππ02 ) 2 π π π π 0π·π·π·π· = − οΏ½ ππππ0 πΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎοΏ½1− cos2( Φππππ) οΏ½ πΎπΎπΎπΎ2− 2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎππππ02 cos( Φππππ) + ( πΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎππππ02 ) 2 πΎπΎπΎπΎππππ0 ( πΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎππππ0 + πΎπΎπΎπΎ cos( Φππππ)) πΎπΎπΎπΎ2 + 2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎππππ02 cos( Φππππ) + οΏ½πΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎππππ0 2οΏ½ πΎπΎπΎπΎππππ02 ( πΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎππππ02 + πΎπΎπΎπΎ cos( Φππππ)) πΆπΆπΆπΆ0π΅π΅π΅π΅ = − οΏ½ πΎπΎπΎπΎ2 −2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎππππ0 2 cos( Φππππ) + οΏ½πΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎππππ02οΏ½ πΎπΎπΎπΎππππ0 2( πΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎππππ02 − πΎπΎπΎπΎ cos( Φππππ)) πΆπΆπΆπΆ0πΆπΆπΆπΆ = − οΏ½ 2 πΎπΎπΎπΎ2 −2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎππππ0 2 cos( Φππππ) + οΏ½πΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎππππ02οΏ½ πΎπΎπΎπΎππππ0 2( πΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎππππ02 − πΎπΎπΎπΎ cos( Φππππ)) πΆπΆπΆπΆ0π·π·π·π· = − οΏ½ 2 οΏ½ οΏ½ 2 οΏ½ πΎπΎπΎπΎ 2 − 2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆππππ ππππππππ0 2 ππππππππππππ( Φππππ ) + (πΆπΆπΆπΆππππ ππππππππ0 2) 2 (13) 2 b 2 = a 2 + c 2 – (2ac)cos (β) (14) π π π π 0 = 2 ππππ0πΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎοΏ½1− cos2( Φππππ) 2 2 2 (15) Analog Dialogue 49-02, February 2015 π π π π = b 2 = a 2 + c 2 – (2ac)cos (β) (14) ππππ0πΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎοΏ½1− cos2( Φππππ) (15) 0 2 in Figure 2 2 ( Φππππ) +3,( πΆπΆπΆπΆin This is depicted graphically which πΎπΎπΎπΎ2−2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆ ππππ πΎπΎπΎπΎππππ0 cos ππππ πΎπΎπΎπΎππππ 0 ) the left and right sides of Equation 17 are each equated2(to y)(blue and ππππ0πΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎοΏ½1− cos Φππππ green curves)π π π π with horizontal axis sharing ω and Ο 2. (15) 0 =the 2−2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆ πΎπΎπΎπΎππππ 2 cos( Φ ) + ( πΆπΆπΆπΆ0 πΎπΎπΎπΎππππ 2)M πΎπΎπΎπΎ ππππ 0 marks ππππ ππππ 0 2 The intersection of the two2curves the boundary 2 2 πΎπΎπΎπΎ −2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎππππ0 cos( Φππππ)2+ οΏ½πΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎππππ0 οΏ½ 2 + 2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆ and .+ The under which Equation condition for 0ω20cos πΆπΆπΆπΆ0ππππ πΎπΎπΎπΎππππ = (16) ( ΦΟππππ οΏ½πΆπΆπΆπΆππππcondition πΎπΎπΎπΎ πΎπΎπΎπΎππππ0) 2οΏ½ 2M()πΎπΎπΎπΎcos 2 (Φ πΎπΎπΎπΎππππ − πΆπΆπΆπΆportion 0 ππππThe ππππ πΎπΎπΎπΎππππ0 ) of the horizontal οΏ½ οΏ½ πΆπΆπΆπΆ = − π π π π 0π΄π΄π΄π΄ = 2 17 is true appears as the red arc. 0π΄π΄π΄π΄ 2 cos( Φ ) + ( πΆπΆπΆπΆ πΎπΎπΎπΎππππ 2 ) 2 2 ( πΆπΆπΆπΆ πΎπΎπΎπΎππππ 2 + πΎπΎπΎπΎ cos( Φ )) πΎπΎπΎπΎ + 2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆ πΎπΎπΎπΎππππ πΎπΎπΎπΎππππ 2 0 ππππ modeling ππππ 0a PLL, all of the variables 0 ππππ 0 ππππ 2 range 2 −2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆ Note that inππππthe context of ( Φππππof ) 2+Ο2οΏ½MπΆπΆπΆπΆππππand axis beneath the red defines πΎπΎπΎπΎarc πΎπΎπΎπΎππππ0ω20οΏ½that ππππ πΎπΎπΎπΎππππthe 0 cos 2 cos 2 + 2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆ πΎπΎπΎπΎππππ 2( Φ ) ( ) οΏ½ οΏ½ ππππ πΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎοΏ½1− cos πΎπΎπΎπΎ Φ πΎπΎπΎπΎππππ + πΆπΆπΆπΆ 2 πΆπΆπΆπΆ = 0 ππππ 0 ππππ ππππ the 0 horizontal in the above equations possess values, including 2 0cosππππ( Φ Note 2 on 2 + 2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆοΏ½ ensures is 0positive. point 2(positive 2πΎπΎπΎπΎππππ ( πΎπΎπΎπΎcos οΏ½ 02 ) axis (16) πΎπΎπΎπΎ Φππππ) + οΏ½πΆπΆπΆπΆ0the π π π π οΏ½0π΄π΄π΄π΄ = 2 ππππ0πΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎοΏ½1−cos πΆπΆπΆπΆοΏ½0π΄π΄π΄π΄ = − Cππππ0πΎπΎπΎπΎππππ ππππ) πΎπΎπΎπΎππππ ππππ 0 οΏ½( Φππππ) − πΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎππππ 2 2 2 2 2 ( ( ) ( ) ( )) 2 οΏ½ οΏ½ constrained between 0 andβπ/2. πΎπΎπΎπΎ +Ο2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆ πΎπΎπΎπΎππππ0 cos Φto πΎπΎπΎπΎππππ πΎπΎπΎπΎππππππππππππ + πΎπΎπΎπΎ + πΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎππππ πΆπΆπΆπΆπππππΆπΆπΆπΆ = − M ) because = − directlyπΎπΎπΎπΎbelow π π π π 0π΅π΅π΅π΅ cos(Ο πΆπΆπΆπΆ0π΅π΅π΅π΅ ππππ values 0 0) ππππ and green curves the intersection ofcos the Φ blue M is ππππ Φ (17) > 2 ( πΆπΆπΆπΆ (πΎπΎπΎπΎππππ 2 ππππ ππππ (0Φππππ0 )) πΎπΎπΎπΎ2 + 2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎππππ02 cos( Φππππ) + ( πΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎππππ02 ) 2 πΎπΎπΎπΎππππ0cos ππππ 0 + πΎπΎπΎπΎ cos As a result, C0A and R0B are clearly negative quantities. , the maximum value of ΟM 2to ensure C0 establishes Ο M _M A X 2( Φ ) ππππ0CπΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎοΏ½1−cos πΎπΎπΎπΎ2 +2 2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎππππ02 cos( Φππππ)2 +2 οΏ½πΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎππππ0 2οΏ½ ππππ Therefore, R0A 2(, Φ is2positive. 0A)and R0B , C0B are immediately ( ) οΏ½ οΏ½ οΏ½ 2setscos οΏ½ οΏ½ οΏ½ ππππ− πΎπΎπΎπΎ −2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆ πΎπΎπΎπΎππππ cos Φ πΎπΎπΎπΎππππ + πΆπΆπΆπΆ = − π π π π 0π΅π΅π΅π΅ =solution πΆπΆπΆπΆ 0 πΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎοΏ½1− ππππ ππππ 0 ππππ ππππ 0 2 0π΅π΅π΅π΅ 2 2 2 2 +πΆπΆπΆπΆ πΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎππππ cos ππππππππ (οΏ½Φ ) + ( πΆπΆπΆπΆare + 2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆππππ component πΎπΎπΎπΎππππ02 cos( Φππππ πΎπΎπΎπΎππππcos π π π π 0πΆπΆπΆπΆ = ruled2 out becauseπΎπΎπΎπΎ2negative values not ππππ )0> 0ππππ)) (17) ππππ πΎπΎπΎπΎππππ 0 ) πΆπΆπΆπΆ0πΆπΆπΆπΆ = − οΏ½ 0 ((πΆπΆπΆπΆΦ ππππ πΎπΎπΎπΎππππ πΎπΎπΎπΎ − 2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎππππ0 cos( Φππππ) + ( πΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎππππ02 ) 2 πΎπΎπΎπΎππππ0 2( πΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎππππ02 − πΎπΎπΎπΎ cos( Φππππ)) πΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎ02 acceptable. The R0C , C0C and R0D , C0D results require further 2 Φππππ_πππππ΄π΄π΄π΄ππππ =πΎπΎπΎπΎππππ ππππππππππππππππππππππππ οΏ½ +cos οΏ½Φradians (18) 2ππππ0πΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎοΏ½1− ( Φππππ) πΎπΎπΎπΎ οΏ½πΆπΆπΆπΆ2ππππ(πΎπΎπΎπΎππππ ππππ0)2οΏ½ ππππ0 πΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎοΏ½1− cos2( Φππππ) πΎπΎπΎπΎ2 −2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆ ππππ( 0) cos 2 cos 2οΏ½2 2 −2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆ analysis, however. 2( Φ ) οΏ½πΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎππππ π π π π = πΆπΆπΆπΆ0π΄π΄π΄π΄ ππππ πΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎοΏ½1− cos πΎπΎπΎπΎ πΎπΎπΎπΎππππ Φ + οΏ½ οΏ½ = πΆπΆπΆπΆ = − π π π π 0 ππππ ππππ 0 ππππ 0 0π΄π΄π΄π΄ 2 2 2 2 (Φ )+ ( πΆπΆπΆπΆππππ2πΎπΎπΎπΎππππ0 ) 20− πΎπΎπΎπΎ πΎπΎπΎπΎ +2(2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆ cos οΏ½ 2 )2 οΏ½πΆπΆπΆπΆππππ ( Φ ) + ( πΆπΆπΆπΆ πΎπΎπΎπΎππππ (Φ )) π π π π 0π·π·π·π· = − οΏ½0πΆπΆπΆπΆ2 πΎπΎπΎπΎ2 − 2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆ2ππππ πΎπΎπΎπΎππππ(02 cos πΆπΆπΆπΆ0π·π·π·π· = − οΏ½0πΆπΆπΆπΆ ππππ πΎπΎπΎπΎππππ ππππ 2cos πΎπΎπΎπΎππππ πΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎππππ Equation than ππππ πΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎ 0 K in order (0Φ ( πΆπΆπΆπΆππππrequires ))0 be less P Nω πΎπΎπΎπΎ − 2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎππππ0 cos Φππππ) + ( πΆπΆπΆπΆππππππππ πΎπΎπΎπΎππππ02ππππ) 2 0 πΎπΎπΎπΎππππ0 218 πΎπΎπΎπΎππππ002 − πΎπΎπΎπΎthat cosC ππππ Φππππ_πππππ΄π΄π΄π΄ππππ =ofππππππππππππππππππππππππ οΏ½ function οΏ½ radians (18) Note that the four equations involving R0C , C0C and R0D , C0D to satisfy the constraints the arccos πΎπΎπΎπΎ2( 2 2 )for ΟM_MAX (Φ ππππ0 πΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎοΏ½1− cos2( Φππππ) πΎπΎπΎπΎ2 −2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎππππ0 2 cosππππ 0πΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎοΏ½1−cos ππππ) + οΏ½πΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎππππ0ΦοΏ½ππππ possess the common factor: οΏ½ οΏ½ = − π π π π πΆπΆπΆπΆ0π΅π΅π΅π΅ οΏ½ πΎπΎπΎπΎ establishes between 0 and π/2.2This ω0_MAX , the οΏ½upper 2limit = − οΏ½0π΅π΅π΅π΅ π π π π 0π·π·π·π· = − οΏ½ 2 πΆπΆπΆπΆ0π·π·π·π· 2 cos 2 (2ππππ ) + ( πΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎππππ0 ) 2 πΎπΎπΎπΎ 2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆ πΎπΎπΎπΎππππ Φ)) (Φ (2πΆπΆπΆπΆ+ πΎπΎπΎπΎ − 2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎππππ02 cos( Φππππ) + ( πΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎππππ02 ) 2 πΎπΎπΎπΎππππ πΎπΎπΎπΎ 0cos ππππ = radians/s (19) ππππ− ππππ οΏ½ 0is ππππ πΎπΎπΎπΎππππ 0 2 0_πππππ΄π΄π΄π΄ππππ 2 2 2 on ω to ensure C positive. 2 0+2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆ 0cos πΎπΎπΎπΎ))+ ππππ0πΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎοΏ½1− πΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎοΏ½1−2cos cos2((Φ 2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆπππππΎπΎπΎπΎππππ πΎπΎπΎπΎππππ02 cos Φ πΎπΎπΎπΎππππ02οΏ½οΏ½ Φππππ)) +οΏ½οΏ½πΆπΆπΆπΆπΆπΆπΆπΆπππππΎπΎπΎπΎππππ ((πΆπΆπΆπΆ ππππππππ ππππ πΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎ2 + Φ 2 2 2 This result is problematic because the goal was to solve for R0 and C0 given ω0 and ΟM , but this indicates four possible R0, C0 pairs instead of a unique R0, C0 pair. However, closer inspection of the four results leads to a single solution set as follows. ππππ0πΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎοΏ½1− cos2( Φππππ) ππππ =πΎπΎπΎπΎ 22 − 2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆ0ππππ ππππππππ 0 ππππππππππππ( Φππππ ) + (πΆπΆπΆπΆππππ ππππππππ0 ) π π π π π π π π 0π΄π΄π΄π΄ 0π΄π΄π΄π΄ = πΎπΎπΎπΎ + 2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆ πΎπΎπΎπΎππππ 22 cos(( Φ )) +(( πΆπΆπΆπΆ πΎπΎπΎπΎππππ 22))22 (13) =− −οΏ½οΏ½ πΆπΆπΆπΆπΆπΆπΆπΆ0π΄π΄π΄π΄ 0π΄π΄π΄π΄ = οΏ½οΏ½ ππππcos ))cos2( Φππππ) 0 πΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎοΏ½1− πΎπΎπΎπΎππππ0022((πΆπΆπΆπΆπΆπΆπΆπΆπππππππππΎπΎπΎπΎππππ πΎπΎπΎπΎππππ0022+ +πΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎ cos Φ ((Φ πΎπΎπΎπΎππππ πΎπΎπΎπΎππππ ππππ)) πΆπΆπΆπΆ0πΆπΆπΆπΆ π π π π 0πΆπΆπΆπΆ =πππππΎπΎπΎπΎ0_πππππ΄π΄π΄π΄ππππ radians/s 2 2 )2 2 − 2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆ=πΎπΎπΎπΎππππ οΏ½0πΆπΆπΆπΆ cos ( Φππππ22) + ( πΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎππππ0(19) ππππ πΎπΎπΎπΎ 2 2 2 2 Closer inspection reveals that Expression 13 has the form ππππ 2 2 2 2 πΎπΎπΎπΎ − 2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆ (13)πΎπΎπΎπΎ2 + 2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆπππππππππΎπΎπΎπΎππππ ππππ0πΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎοΏ½1−cos πΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎοΏ½1−cos πΎπΎπΎπΎππππ002 cos cos((Φ Φππππ πΎπΎπΎπΎππππ02οΏ½οΏ½ Φππππππππππππ +οΏ½οΏ½πΆπΆπΆπΆπΆπΆπΆπΆπππππππππΎπΎπΎπΎππππ ππππ ππππ ππππππππ20((Φ ππππ)) ( Φππππ ) + (πΆπΆπΆπΆππππ ππππππππ0 ) ππππ))+ ππππ 2 οΏ½ = − =− −οΏ½οΏ½πΎπΎπΎπΎ + 2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆ –b(2ac)cos(β) +c c22.0–Equating this(β) with the arbitrary quantity, οΏ½οΏ½πΎπΎπΎπΎa22 2++ οΏ½οΏ½ 2(Φππππ) ΔΦ –πΎπΎπΎπΎππππ arctan (ω R C2))))) 0 (20) − π π π π π π π π 0π΅π΅π΅π΅ πΆπΆπΆπΆπΆπΆπΆπΆ0π΅π΅π΅π΅ 0ππππ 2πΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎοΏ½1− 2= 0π΅π΅π΅π΅a = 0π΅π΅π΅π΅ = cos 2 cos(( Φ 2))22οΏ½ 2= 2 + πΎπΎπΎπΎ (2ac)cos (14) 0 2 2 2 2 ( ) ( ( 2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆ πΎπΎπΎπΎππππ πΎπΎπΎπΎππππ πΎπΎπΎπΎππππ cos Φ + πΆπΆπΆπΆ πΆπΆπΆπΆ ( ) ( ( πΎπΎπΎπΎ + 2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆπππππππππΎπΎπΎπΎππππ00 cos Φππππ πΎπΎπΎπΎππππ πΎπΎπΎπΎπππποΏ½00 + πΎπΎπΎπΎ cos Φππππ πΆπΆπΆπΆππππππππ− ππππ + πΆπΆπΆπΆπππππππππΎπΎπΎπΎππππ00 ππππ 00 = οΏ½ π π π π y 0π·π·π·π· πΆπΆπΆπΆ0π·π·π·π· b2, yields: 2 2 )2 2 ( ) ( πΎπΎπΎπΎ − 2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎππππ0 cos 2 Φππππ + πΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎππππ0 2 2 2 2 2 πΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎοΏ½1− cos22((Φ πΎπΎπΎπΎ2 −2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆ πΎπΎπΎπΎππππ0ΔΦ cos πΎπΎπΎπΎππππ002RοΏ½οΏ½ C ) (20) +οΏ½οΏ½πΆπΆπΆπΆπΆπΆπΆπΆππππππππ(ω )) ))+ ππππ cos πΎπΎπΎπΎππππ 02 cos =((ΦΦ –ππππππππ arctan 0 2 οΏ½οΏ½2 bππππ020πΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎοΏ½1− = 2a 2 + c –Φππππππππ (2ac)cos (β) (14) πΆπΆπΆπΆπΆπΆπΆπΆ0πΆπΆπΆπΆ = 22 =− −οΏ½οΏ½πΎπΎπΎπΎ −2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆππππππππ2πΎπΎπΎπΎππππ π π π π π π π π 0πΆπΆπΆπΆ 0πΆπΆπΆπΆ = 0πΆπΆπΆπΆ = y = CPNπ02 2))22 2(( πΆπΆπΆπΆ πΎπΎπΎπΎππππ 2 − πΎπΎπΎπΎ–cos 2 2 2 ( ( ) ( ))Φ πΎπΎπΎπΎ − 2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆ πΎπΎπΎπΎππππ cos Φ πΎπΎπΎπΎππππ πΎπΎπΎπΎππππ Φ + πΆπΆπΆπΆ ( ( ) ( = Φ ΔΦ = (21) Φ 2 πΎπΎπΎπΎ − 2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆπππππππππΎπΎπΎπΎππππ00ππππcos Φππππ πΎπΎπΎπΎππππ πΎπΎπΎπΎππππM_ + πΆπΆπΆπΆππππ(ππππΦ πΆπΆπΆπΆπππππππππΎπΎπΎπΎππππ00 −MπΎπΎπΎπΎ cos Φππππ ππππ cos ππππ)) M + arctan(ω0 R2 C2 ) )0 00 MAX 0πΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎοΏ½1− ππππ0 (15) π π π π 0 = 2 K 2 2 2 2 2 2 2 cos ( Φ2ππππ 2(()Φ πΎπΎπΎπΎ −2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆ cos +ππππ)()πΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎππππ (13) Equation 14, the Law of02Cosines, a, 0b,2)and c as the οΏ½2 ( Φππππ ) + (πΆπΆπΆπΆππππ ππππππππ0 ) ππππππππ00πΎπΎπΎπΎππππ πΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎοΏ½1− cos πΎπΎπΎπΎ22 −2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆ πΎπΎπΎπΎππππ002πΎπΎπΎπΎ Φ2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆ πΎπΎπΎπΎππππ +οΏ½πππποΏ½πΆπΆπΆπΆπΆπΆπΆπΆππππππππ 00022οΏ½ππππππππππππ ((Φ ππππ πΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎοΏ½1− cos cos− Φrelates ππππ))+ ππππ ππππ πππππππππΎπΎπΎπΎππππ οΏ½πΎπΎπΎπΎ −2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆπππππππππΎπΎπΎπΎππππ οΏ½ ) the interior οΏ½ =− −οΏ½οΏ½of22the three = − πΆπΆπΆπΆ οΏ½ οΏ½ οΏ½ π π π π π π π π 0π·π·π·π· = = − πΆπΆπΆπΆ 22(βΦ 0π·π·π·π·lengths 0π·π·π·π· sides of a triangle with being 0π·π·π·π· = Φ – ΔΦ = Φ + arctan (ω R C ) Φ ππππ πΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎοΏ½1− cos 2 2 2 2 M_ 0MAX M M 0 2 2 2 −πΎπΎπΎπΎ 0ππππ))+ )) −2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆ 2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆπππππππππΎπΎπΎπΎππππ cos((Φ Φππππ πΎπΎπΎπΎππππ002 ))2 ππππ πΎπΎπΎπΎππππ002((πΆπΆπΆπΆ2πΆπΆπΆπΆπππππππππΎπΎπΎπΎππππ πΎπΎπΎπΎππππ πΎπΎπΎπΎcos cos Φππππ +((πΆπΆπΆπΆπΆπΆπΆπΆ2πππππππππΎπΎπΎπΎππππ )) πΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎ − πΎπΎπΎπΎππππ 2 ((Φ 2 2 0 − π π π π =πΎπΎπΎπΎππππ0202ππππcos (ππππΦ+ ( Φππππ + 2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆ πΎπΎπΎπΎππππ + οΏ½πΆπΆπΆπΆ= 0πΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎοΏ½1− ππππ= 0M_cos ππππ)ΔΦ ππππ πΎπΎπΎπΎππππ 0 οΏ½ angle of the vertex side b.cos b2)is the square of the (15) arccos (ω0 2 NCP/K) – arc Φ 2Since 2 2 M_πΎπΎπΎπΎ MAX_NEW MAX 2Φ πΎπΎπΎπΎ −2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆ οΏ½ KοΏ½ (π½ ) > C Nπ ππππ πΎπΎπΎπΎππππ0 cos( Φππππ) + ( πΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎππππ0 ) π π π π 0π΄π΄π΄π΄ = 02 opposite πΆπΆπΆπΆ = − COS M P 2 0 0π΄π΄π΄π΄ 2 2 2 2 it must 2 ( Φππππ)be length of one side a triangle, πΎπΎπΎπΎ +of2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆ cos( Φππππ)) + (aπΆπΆπΆπΆpositive 2= ππππ2πΎπΎπΎπΎππππ0 cos ππππ2πΎπΎπΎπΎππππ0 ) quantity, 0 (aπΆπΆπΆπΆ2ππππ πΎπΎπΎπΎππππ πΎπΎπΎπΎ2 −2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆ 2 bπΎπΎπΎπΎππππ + c02 +– πΎπΎπΎπΎ(2ac)cos (β) (14) ππππ πΎπΎπΎπΎππππ0 cos( Φππππ) + οΏ½πΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎππππ0 οΏ½ KCOS (π½M) = CPNπ 0 which the 2right side of Equation2 14 must also be πΆπΆπΆπΆ0 implies = (16) 2 2 2 2 2 ( ( ) ) 2 cos 2οΏ½= 2Φ πΎπΎπΎπΎππππ πΎπΎπΎπΎππππ πΎπΎπΎπΎcos Φ − πΆπΆπΆπΆ 2 2 2 2 2 = Φ + ΔΦ arccos (ω0 2 NCP/K) M_ MAX_NEW M_ MAX 0 ππππ ππππ 0 ( ( ) ) οΏ½ ( ) ( ) ππππ πΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎοΏ½1−cos πΎπΎπΎπΎ + 2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆ πΎπΎπΎπΎππππ Φ πΎπΎπΎπΎππππ Φ + πΆπΆπΆπΆ πΎπΎπΎπΎ − − 2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆ 2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆοΏ½ππππππππππππππππ ππππππππ00 ππππππππππππ ππππππππππππ Φππππππππ)be ππππππππ00quantity, (13) +a(positive ) 2οΏ½(13) ππππ 0 ππππ ππππ 0 πΎπΎπΎπΎ Φ ππππππππ + πΆπΆπΆπΆπΆπΆπΆπΆππππππππππππ positive. 130(must οΏ½ οΏ½ = −Expression = − π π π π 0π΅π΅π΅π΅Thus, πΆπΆπΆπΆ 2 2 2 0π΅π΅π΅π΅ πΎπΎπΎπΎππππ0of cos((Φ Φpositive. πΎπΎπΎπΎππππ 2 οΏ½2 2 +−2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆ 02 cos ππππ))++(οΏ½πΆπΆπΆπΆπΆπΆπΆπΆ πΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎ 2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆπππππππππΎπΎπΎπΎππππ πΎπΎπΎπΎππππ02 ( πΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎππππ02 + πΎπΎπΎπΎ cos( Φππππ)) which meansπΆπΆπΆπΆthe=denominator R The πππππππππΎπΎπΎπΎππππ 00 ) 0D isππππ (16) 0 2 ( πΎπΎπΎπΎcos 2 ) be ππππ0πΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎοΏ½1− cos2( Φππππ) ( ) πΎπΎπΎπΎππππ Φ − πΆπΆπΆπΆ numerator of R0D is alsoπΎπΎπΎπΎππππ positive, therefore R must 0 ππππ ππππ 0D 0 π π π π = (15) 2 cos( Φ ) + οΏ½πΆπΆπΆπΆ πΎπΎπΎπΎππππ 2οΏ½2 2 −2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆ 2( Φ ) 2 0 ππππ πΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎοΏ½1− cos πΎπΎπΎπΎ πΎπΎπΎπΎππππ 2 ππππ( Φ 0) + ( πΆπΆπΆπΆ πΎπΎπΎπΎππππ 2) 2 2−2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆ πΎπΎπΎπΎππππ 0 the R0D , C ππππ ππππ πΎπΎπΎπΎ0 set. This leaves negative, out πΎπΎπΎπΎbbcos Φ ππππππππ (17) > ππππ ππππ 0 cos ππππ 0D solution 0 οΏ½ ππππ) 0 =(which a22ππππ+ +)2rules c22πΆπΆπΆπΆ –ππππ(2ac)cos (2ac)cos (β) (14) πΆπΆπΆπΆ0πΆπΆπΆπΆ = − οΏ½ π π π π 220πΆπΆπΆπΆ = a= c – (β) (14) 2 2 2 2 2 y = K (π½ ( ( ) ( ) ( )) πΎπΎπΎπΎ − 2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆ πΎπΎπΎπΎππππ cos Φ + πΆπΆπΆπΆ πΎπΎπΎπΎππππ πΎπΎπΎπΎππππ πΆπΆπΆπΆ πΎπΎπΎπΎππππ − πΎπΎπΎπΎ cos Φ πΎπΎπΎπΎ + 2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆπππππππππΎπΎπΎπΎππππ00 cos Φππππ ππππ + πΆπΆπΆπΆπππππππππΎπΎπΎπΎππππ00 only the R0C , C0C pair asππππ a contender 0 ππππfor theππππ simultaneous 0 solution of Equation 11 and Equation 12. 2 ( ) πΎπΎπΎπΎ cos Φ > πΆπΆπΆπΆ ππππππππ 2 (17) ππππ ππππ πΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎοΏ½1− ππππ 0 (Φ ) cos 0 ππππ οΏ½ π π π π 0π·π·π·π· = − οΏ½ 2ππππ πΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎοΏ½1− πΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎ20222( 2 2 cos Φradians (ππππ (οΏ½Φ πΎπΎπΎπΎππππ−00πΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎοΏ½1− 2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆ Φ))ππππ) + ( πΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎππππ cos ππππ Φπ π π π π π π π ππππ_πππππ΄π΄π΄π΄ππππ = ππππππππππππππππππππππππ οΏ½ (18) ππππ πΎπΎπΎπΎππππ 0 cos 0 ) = (15) = (15) πΎπΎπΎπΎ 0 0 22 22)22 22 ( ) ( −2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆπππππππππΎπΎπΎπΎππππ πΎπΎπΎπΎππππ00 cos cos( Φ Φππππ πΎπΎπΎπΎππππ00 ) +( πΆπΆπΆπΆπΆπΆπΆπΆπππππππππΎπΎπΎπΎππππ πΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎ −2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆ ππππ) + πΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎ02 Φππππ_πππππ΄π΄π΄π΄ππππ = ππππππππππππππππππππππππ οΏ½ οΏ½ radians (18) (πΆπΆπΆπΆππππ ππππππππ0 2) 2 πΎπΎπΎπΎ 2 − 2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆππππ ππππππππ0 2 ππππππππππππ(πΎπΎπΎπΎΦππππ ) + πΎπΎπΎπΎ 22 2 2 2 2 2 2 ( ) οΏ½ οΏ½ πΎπΎπΎπΎ −2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆ πΎπΎπΎπΎππππradians/s cos( Φ Φππππ πΎπΎπΎπΎππππ00 οΏ½ +οΏ½(19) πΆπΆπΆπΆπΆπΆπΆπΆπππππππππΎπΎπΎπΎππππ ππππ) + πππππΆπΆπΆπΆ0_πππππ΄π΄π΄π΄ππππ οΏ½πΆπΆπΆπΆπππππππππΎπΎπΎπΎππππ 00 cos = πΎπΎπΎπΎ =−2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆ (16) πΎπΎπΎπΎ πΆπΆπΆπΆ00 = (16) πΎπΎπΎπΎππππ0ππππ022((πΎπΎπΎπΎcos πΎπΎπΎπΎππππ0022)) πΎπΎπΎπΎcos((Φ Φππππ −πΆπΆπΆπΆπΆπΆπΆπΆπππππππππΎπΎπΎπΎππππ πΎπΎπΎπΎππππ ππππ))− 2 = a 2=+ c 2πΎπΎπΎπΎ– (2ac)cos (14) ππππb0_πππππ΄π΄π΄π΄ππππ οΏ½πΆπΆπΆπΆ πΎπΎπΎπΎ radians/s(β)(19) (13) ππππ ππππ Equation 0 Although Equation 15 and 16 are contenders for 2( Φ ) ππππ cosand 0πΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎοΏ½1− 11 ππππ the simultaneous solution of Equation Equation 12, π π π π = 0 = –πΎπΎπΎπΎarctan ΔΦ (ω R C ) (20) 2 2 0 2 2 )2 −2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆ cos( Φππππ)values + ( πΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎππππ they are only valid if they result for0 2both ππππ πΎπΎπΎπΎππππin 0 positive 22 arctan(ω R C ) πΆπΆπΆπΆ πΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎ = Φ – ΔΦ = Φ + Φ M_ MAX M M 0 2 2 πΆπΆπΆπΆ πΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎ R0 and C0. Close inspection ofππππππππR0 shows it to be positive—its 00 Φππππ_πππππ΄π΄π΄π΄ππππ = ππππππππππππππππππππππππ ππππππππππππππππππππππππ οΏ½οΏ½ radians (18) Φ = οΏ½οΏ½radians (18) ππππ_πππππ΄π΄π΄π΄ππππ numerator is positive, because πΎπΎπΎπΎ the πΎπΎπΎπΎ range of cos2(x) is 0 to 1— 0 ππππ 0 ππππ ππππ 0 0 ππππ COS M 2 πΎπΎπΎπΎ2 −2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎππππ0 2 cos( Φππππ) + οΏ½πΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎππππ02οΏ½ 2 −2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆ πΎπΎπΎπΎππππ 2 cos( Φ ) + οΏ½πΆπΆπΆπΆ πΎπΎπΎπΎππππ 2οΏ½2 πΎπΎπΎπΎ 0 ( Φ ))ππππ ππππ 0 πΎπΎπΎπΎππππ0 2( πΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎππππ02ππππ− πΎπΎπΎπΎ cos ππππ 0 πΎπΎπΎπΎππππ02 ( πΎπΎπΎπΎcos( Φππππ) − πΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎππππ02 ) πΆπΆπΆπΆ0π·π·π·π· = − οΏ½ 0 οΏ½ πΆπΆπΆπΆ = πΎπΎπΎπΎ cos( Φππππ ) > πΆπΆπΆπΆππππ ππππππππ0 2 (17) Φππππ_πππππ΄π΄π΄π΄ππππ = =ππππππππππππππππππππππππ οΏ½ π [K/(C N)] οΏ½ radians π½M = π/2 2 ππππ πΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎ0 π½M_MAX = arccos (CPNπ02/K) πΆπΆπΆπΆ ππππ Constraints on R0 and C0 2 ΔΦ = –((arctan 2 C20)2 (20) πΎπΎπΎπΎcos cos Φππππ))> ππππππππ (17) >(ω πΎπΎπΎπΎ Φ ππππππππ (17) πΆπΆπΆπΆπΆπΆπΆπΆ0ππππR ππππ O_MAX P 1/2 Figure 3. Constraint on C0 denominator. πΎπΎπΎπΎ (16) π0, π½M (18) (15) Compensating for R2 and CπΎπΎπΎπΎ2 (Third-Order Loop Filter) (21) ππππ0_πππππ΄π΄π΄π΄ππππ = οΏ½ radians/s (19) πΆπΆπΆπΆππππ filter, πΎπΎπΎπΎ In the case of a third-order loop components R2 and C2 2 was introduce additional phase shift, ΔΟ, relative to the secondand its denominator is the same as Expression 13, which 2 2 2 ΦMππππ–πΎπΎπΎπΎππππ ΔΦ = (Φ (21) ΦM_ MAXπΎπΎπΎπΎ =−2πΎπΎπΎπΎπΆπΆπΆπΆ οΏ½πΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎππππ0(ω οΏ½ 0 R2 C2 ) ΦM + arctan 0 cos ππππ)+ order loop filter: previously shown to be positive. The numerator of C is also πΆπΆπΆπΆ = (16) 2 0 0 (ω 2 NCP/K) – arctan(ω0 R2 C2 ) (22) ΦM_MAX_NEW = ΦM_MAX 2 (ΔΦ = ( Φarccos πΎπΎπΎπΎππππ0+ ππππ) − πΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎππππ00 ) the same as Expression 13, so CπΎπΎπΎπΎcos 0 is positive as long as its ΔΦ = – arctan(ω0 R2 C2 ) (20) πΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎ denominator following condition: ππππ0_πππππ΄π΄π΄π΄ππππ =οΏ½ radians/s (19) οΏ½ theradians/s ππππ = (19) 0_πππππ΄π΄π΄π΄ππππsatisfies πΎπΎπΎπΎ πΆπΆπΆπΆπΆπΆπΆπΆπππππππππΎπΎπΎπΎ = ΦM_MAX + ΔΦ = arccos (ω0 2 NCP/K) – arctan(ω0 R2 C2 ) (22) ΦM_MAX_NEW To deal with this excess phase shift, subtract it from the 2 ( ) πΎπΎπΎπΎ cos Φππππ > πΆπΆπΆπΆππππ ππππππππ0 (17) desired value of ΟM : ΦM_ MAX = ΦM – ΔΦ = ΦM + arctan(ω0 R2 C2 ) ΔΦ = = ––arctan arctan(ω (ω00RR22CC22)) (20) (20) ΔΦ Φππππ_πππππ΄π΄π΄π΄ππππ = ππππππππππππππππππππππππ οΏ½ πΆπΆπΆπΆππππ πΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎπΎ02 πΎπΎπΎπΎ οΏ½ radians =Φ ΦMM–– ΔΦ ΔΦ = =Φ ΦMM+ + arctan arctan(ω (ω00RR22CC22)) ΦM_ M_ MAX MAX = Φ πΎπΎπΎπΎ (18) (21) (21) ΦM_MAX_NEW = ΦM_MAX + ΔΦ = arccos (ω0 2 NCP/K ππππ0_πππππ΄π΄π΄π΄ππππ = οΏ½ radians/s (19) πΆπΆπΆπΆππππ+ =Φ ΦM_ +πΎπΎπΎπΎΔΦ ΔΦ = = arccos arccos(ω (ω0022NC NCPP//KK)) –– arctan arctan(ω (ω00RR22CC22)) ΦM_ M_MAX_NEW MAX_NEW= M_MAX MAX Φ Analog Dialogue 49-02, February 2015 (22) (22) 3 ΔΦ = – arctan(ω0 R2 C2 ) (20) ΔΦ = – arctan(ω0 R2 C2 ) (20) ΦM_ MAX = ΦM – ΔΦ = ΦM + arctan (ω0R2C2) (21) Applying ΟM_NEW to Φ Equation 15 Φ and Equation 16Mresults in different 0 and C0 than for the second-order solution, with ΔΦ = Φ + arctan (ω0 R2values C2) for R(21) M_ MAX = M– the new values compensating for the excess phase shift introduced by R2 and C2 . The presence of R2 and C2 also affects ΟM_MAX , the = ΦM_MAX + of ΔΦ (ω0 2 NCP/K) – arctan(ω0 R2 C2 ) (22) M_MAX_NEW maximum allowable value of ΟMΦ . The new maximum value ΟM=(Οarccos M_MAX_NEW ) is ΦM_MAX_NEW = ΦM_MAX + ΔΦ = arccos (ω02NC P /K ) – arctan (ω0R2C2) Conclusion (22) This article demonstrates using open-loop unity-gain bandwidth (ω0) and phase margin (ΟM ) as design parameters for secondorder or third-order loop filters when only components R0 and C0 are adjustable. Simulation of a PLL with a second-order loop filter using R0 and C0 yields an exact match to the theoretical frequency response of HOL and the resulting phase margin, thereby validating the equations. The parameters ω0 and ΟM have upper bounds for a second-order loop filter per Equation 19 and Equation 18, respectively. The procedure for determining R0 and C0 assumed a second-order loop filter, but is extendible to third-order loop filter designs by adjusting the desired phase margin (ΟM ) to a new value (ΟM_NEW ) per Equation 21, yielding a new upper bound (ΟM_MAX_NEW ) per Equation 22. Although simulations using a second-order loop filter validated Equation 15 and Equation 16, validating the equations that extend the design procedure to third-order loop filter designs requires a redefinition of the loop filter response, HLF (s), to include R2 and C2 as follows: π»π»πΏπΏπΏπΏ (π π ) = π π (π π 2 π π 0 π π 2 πΆπΆ0 πΆπΆ2 πΆπΆππ π π π π 0 πΆπΆ0 + 1 + π π π π 2 πΆπΆ0 πΆπΆ2 + π π π π 0 πΆπΆ0 πΆπΆππ + π π π π 2 πΆπΆ2 πΆπΆππ + π π π π 0 πΆπΆ0 πΆπΆ2 + πΆπΆ0 + πΆπΆ2 + πΆπΆππ ) π¦π¦ CP = 1.5 nF The incorporation of this form of HLF into theπ₯π₯HOL and = ππ2simulations − ππ1 = ππππππππππππ ( ) −loop ππππππππππππ ( ) enables of third-order HCL equationsΦ 1 1 R2 = 165 kβ¦ filter designs using R0 and C0. Such simulations reveal the calculated values of R0 and C0 deviate from the theoretical C2 = 337 pF frequency response and phase margin associated with 2 2 = using ππ2 +aππthird-order + 2ππππ cos(ππ) is the opposite D = 30 μA side c) HOL for a PLLππwhen loop filter.(θ This is angle K predominantly due to the effect of R2 and C2 on HOL in a thirdKV = 3072 (25 ppm/V at 122.88 MHz) order loop filter. N = 100 2 2 2 ) +a (√1 Recall that the(π₯π₯ formulas and C0 π₯π₯ assume second-order = R(0√ 1+ + π¦π¦ 2 ) − 2√1 + π₯π₯ 2 √1 + π¦π¦ 2 cos Φ − π¦π¦)2for Simulation 1 and Simulation 2 use ω0 = 100 Hz, which is near loop filter, but R2 and C2 do not exist in a second-order filter, the calculated upper limit of 124.8 Hz (ω0_MAX ). As such, so including them as part of the loop filter constitutes a source Simulation 1 and Simulation 2 deviate from the design of error in spite of adjusting R0 and C0 to compensate for the parameter values (ω0 and ΟM ) by nearly 10%. On the other phase shift introduced by R2 and C2. Even in the 1+ π₯π₯π₯π₯ presence of hand, Simulation 3 and Simulation 4 use ω0 = 35 Hz, which is Φ = simulation ππππππππππππ (indicates that using the ) this error, however, 2 )(1 approximately ¼ the upper limit. As expected, Simulation 3 + π¦π¦of2 ω) 0 to a + π₯π₯the adjusted values of R0 and C0, but√(1 limiting choice and Simulation 4 hold much closer to the design parameters maximum of ¼ of the value dictated by Equation 19 yields (ω 0 and ΟM ), yielding an error of only about 1%. acceptable results. In fact, the simulated open-loop bandwidth and phase margin results deviate only slightly from the design 1 + ππ2 ππ1loop ππ2 filter. parameters (ω0 and ΟM ) for a PLL using a third-order Φ = ππππππππππππ ( Simulation Results √[1 + (ππππ2 )2 ][1 + (ππππ1 )2 ] The following is the result of running four simulations of a PLL with a third-order loop filter. The simulations all have the following fixed-loop filter components and PLL parameters: 4 Table 1 summarizes the simulation results and also includes )the calculated values of R0 , C0, ω0_MAX , and ΟM_MAX for the given design parameters, ω0 and ΟM . Note that for the purpose of comparison it would be preferable for both Simulation 1 and Simulation 3 to use ΟM = 80°, but Simulation 1 must satisfy the constraint imposed by Equation 22 of ΟM < 48° (hence the choice of 42°). Analog Dialogue 49-02, February 2015 Table 1: Simulation Summary Simulation 1 Parameter Simulation 2 ΟM ω0 ω0 Simulation 3 ΟM ω0 Simulation 4 ΟM ω0 ΟM Design 100 Hz 42° 100 Hz 30° 35 Hz 80° 35 Hz 30° Simulation 93.1 Hz 38.7° 92.5 Hz 27.1° 34.9 Hz 79.0° 34.7 Hz 29.3° R0 969.6k kβ¦ 1118 kβ¦ 240.1 kβ¦ 139.9 kβ¦ C0 14.85 nF 3.670 nF 225.5 nF 21.24 nF π0_MAX 124.8 Hz 124.8 Hz 124.8 Hz 124.8 Hz πM_MAX 48.0° 48.0° 84.8° 84.8° 50 80 90 60 80 40 40 70 30 20 60 0 50 −20 40 −40 30 −60 20 −80 10 1 10 100 1k 10k 100k 1M 0 FREQUENCY (Hz) SIM 1 GAIN SIM 1 PHASE SIM 2 GAIN SIM 2 PHASE SIM 3 GAIN SIM 3 PHASE SIM 4 GAIN SIM 4 PHASE MAGNITUDE (dB) 20 10 0 −10 −20 PEAKING 50 MAGNITUDE (dB) −100 0.1 PHASE (DEGREES) MAGNITUDE (dB) Figure 4 and Figure 5 show the open- and closed-loop response for each simulation. −30 45 40 35 0.1 1 −40 −50 0.1 1 10 100 FREQUENCY (Hz) 10 1k 100 1k 10k FREQUENCY (Hz) SIM 1 GAIN Figure 4. Open-loop gain and phase. π»π»πΏπΏπΏπΏ (π π ) = SIM 2 GAIN Figure 5. Closed-loop gain. π π π π 0 πΆπΆ0 SIM 3 GAIN SIM 4 GAIN +1 π π 0 π π 2 πΆπΆFunction π π π π the π π (π π 2Arctan Appendix—Converting the Discontinuous Continuous Arccos 0 πΆπΆ2 πΆπΆππ + to 2 πΆπΆ0 πΆπΆ 2 + π π π π 0 πΆπΆ0 πΆπΆ ππ + π π π π Function 2 πΆπΆ2 πΆπΆππ + π π π π 0 πΆπΆ0 πΆπΆ2 + πΆπΆ0 + πΆπΆ2 π π π π πΆπΆ 0 0 + 1 ) and Equation 10 demonstrates that the angle Οπ»π»is the difference between angleπ π π π θ2 and angle θ , where θ2 = arctan(ωT 2 0 πΆπΆ0 + 1 1 πΏπΏπΏπΏ (π π ) = 2 π π π π πΆπΆ + 1 0 2y/1: 0 0 πΆπΆ2 πΆπΆππ + π π π π 2 πΆπΆ0 πΆπΆ2 + π π π π 0 πΆπΆ0 πΆπΆππ + π π π π 2 πΆπΆ2 πΆπΆππ + π π π π 0 πΆπΆ0 πΆπΆ2 + πΆπΆ0 θ1 = arctan(ωT1). Furthermore, ωT2 is expressible as x/1 π π (π π and ωT (π π ) π»π» = π π π π πΆπΆ 1 as πΏπΏπΏπΏ 0 2 π π π π πΆπΆ πΆπΆ πΆπΆ + π π π π πΆπΆ πΆπΆ + π π π π πΆπΆ πΆπΆ + π π π π πΆπΆ πΆπΆ + π π π π πΆπΆ πΆπΆ + πΆπΆ + πΆπΆ + πΆπΆ ) π»π»πΏπΏπΏπΏ (π π ) = π₯π₯0 0πΆπΆ πππΆπΆ + π π π π 0 2 π π π π 0 2 ππ + π π π π 2 πΆπΆ 0 πΆπΆ 2 2 π¦π¦2 ππ 0 0 2 0 2 ππ π π (π π 2 π π 0 π π 2 πΆπΆπ π (π π 0 πΆπΆ2 πΆπΆππ + 0 ππ +(π π π π ππ Φ =2πππΆπΆ20 πΆπΆ −2 ππ1 = 0ππππππππππππ ) 2− 2ππππππππππππ (0 πΆπΆ)0 πΆπΆ2 + πΆπΆ0 + πΆπΆ2 + πΆπΆππ ) 1 1 π₯π₯ This implies the geometric relationship shown in Figure with θ1 and θ2π¦π¦defined by the triangles π¦π¦ π₯π₯ππ26,− Φ = ππ1Ο= ππππππππππππ ( )between − ππππππππππππ ( ofθ).Figure 6 (b) and (a), π₯π₯ π¦π¦ and respectively. Figure 6 (c) combines these two triangles to show as the difference θ Φ = ππ − ππ = ππππππππππππ ( ) − ππππππππππππ ( ) 1 1 12 2 1 (2 ) − 2 Φ = ππ2 − ππ1 = ππππππππππππ ) cos(ππ) 1 (θ is the angle opposite side c) ππ 1 = ππ ππππππππππππ + ππ12 +(12ππππ The Law of Cosines relates an interior angle (θ) of a triangle to the lengths of the three sides of the triangle (a, b, and c) as follows: ππ 2 = ππ2 + ππ 2 + 2ππππ cos(ππ) (θ is the angle opposite side c) 2 2 2 ππ = ππ + ππ + 2ππππ (θ is the2 angleside opposite ππ 2 = ππ2 + ππ 2 + 2ππππ cos(ππ) (θcos(ππ) c) 2 side c) 2is the√angle opposite (π₯π₯ − π¦π¦) = ( 1 + π₯π₯ 2 ) + (√1 + π¦π¦ 2 ) − 2√1 + π₯π₯ 2 √1 + π¦π¦ 2 cos Φ Applying the Law of Cosines to angle Ο in Figure 6 (c) yields: 2 2 2 π¦π¦)2 = (√1 +2 π₯π₯ 2 ) + (√1 + π¦π¦ 2 ) − 2√1 + π₯π₯ 2 √1 + π¦π¦ 2 cos Φ (π₯π₯ − 2√ 2 2 2 ) + (√1 2 √1 + π¦π¦ 2 cos Φ (π₯π₯ − π¦π¦) = ( 1 + π₯π₯ +√π¦π¦12 )+ π₯π₯−2 √1 2√1++π¦π¦ 2π₯π₯cos 2 2 (π₯π₯ − π¦π¦) = (√1 + π₯π₯ ) + (√1 + π¦π¦ 2 ) − 2 Φ 1 + π₯π₯π₯π₯ ) Φ = ππππππππππππ ( √(1 + π₯π₯ 2 )(1 + π¦π¦ 2 ) 1 + π₯π₯π₯π₯ 1+ ) Φ = π₯π₯π₯π₯ ππππππππππππ ( 1 + π₯π₯π₯π₯ 2 )(1 + π¦π¦ 2 ) ) Φ = ππππππππππππ ( √(1 + π₯π₯ Φ = ππππππππππππ ( 2) 2 √(1++π¦π¦π₯π₯ 2 ) )(1 + π¦π¦ ) 1 + ππ 2 ππ ππ √(1 + π₯π₯ 2 )(1 1 2 Φ = ππππππππππππ ( ) 2 2 √[1 + (ππππ2 ) ][1 + (ππππ 2 1) ] 1 + ππ ππ1 ππ2 ππ2 ππ1 ππ(2 =+ππππππππππππ ) 2 Φ1 1 + ππ ππ ππ 1 2 2 ][1 + (ππππ )2 ] Φ = ππππππππππππ ( ) ) (ππππ √[1 + 2 1 Φ = ππππππππππππ ( ) 2 2 2 + (ππππ2 ) ][1 2 + (ππππ1 ) ] √[1 + (ππππ√[1 2 ) ][1 + (ππππ1 ) ] Analog Dialogue 49-02, February 2015 5 Φ = ππππππππππππ ( π»π»πΏπΏπΏπΏ (π π ) = π2 2 (1 + x √(1 + π₯π₯ 2 )(1 + π¦π¦ 2 ) ) But, x/1 = ωT2 and y/1 = ωT1, allowing Ο to be expressed in terms of T1 and T2. ½ ) X π π (π π 2 π π 0 π π 2 πΆπΆ0 πΆπΆ2 πΆπΆππ 1 π π π π 0 πΆπΆ0 + 1 1 + ππ2 ππ1 ππ2 + π π π π 2 πΆπΆ0 πΆπΆ2+ + π π π π πΆπΆ πΆπΆ + π π π π πΆπΆ πΆπΆ + π π π π πΆπΆ πΆπΆ + πΆπΆ + πΆπΆ2 + πΆπΆππ ) Φ = ππππππππππππ ( ) ) 0 0 ππ 2 2 ππ 0 0 2 0 y (1 √[1 + (ππππ2 )2 ][1 + (ππππ1 )2 ] y 2½ π1 1 π₯π₯ π¦π¦ (B) Φ = ππ2 − ππ1 = ππππππππππππ ( ) − ππππππππππππ ( ) 1 1 (A) 2 + (1 x ½ ) x− y x ) ππ 2 = ππ2 + ππ 2 + 2ππππ cos(ππ) (θ is the angle (1 +y 2½ π2 φ y π1 1 2 (π₯π₯ − π¦π¦)2 = (√1 +(C)π₯π₯ 2 ) + (√1 + π¦π¦ 2 ) Figure 6. Geometric representation of Equation 10. Solving for Ο: Φ = ππππππππππππ ( 1 + π₯π₯π₯π₯ √(1 + π₯π₯ 2 )(1 + π¦π¦ 2 ) 2 References Brennan, Paul V. Phase-Locked Loops: Principles and Practice. McGraw-Hill, 1996. Keese, William O. AN-1001, National Semiconductor Application Note, An Analysis and Performance Evaluation of opposite side Filter c) Design Technique for Charge Pump Phase-Locked a Passive Loops. May 1996. MT-086: Fundamentals of Phase Locked Loops (PLLs). with Integrated 2 cos − 2√1 + PLLs/PLLs π₯π₯ 2 √1 + π¦π¦ Φ VCOs. ) 1 + joined ππ2 ππ1Analog ππ2 Devices in 1998 as a system design Ken Gentile [ken.gentile@analog.com] Φ = ππππππππππππ ( ) engineer with the Clock and Signal Synthesis product line in 2 ][1 + (ππππ 2 ]Greensboro, NC, where (ππππ ) ) √[1 + 2 analog filter design, 1 he specializes in direct digital synthesis, and writing GUI-based engineering tools in MATLAB. Ken holds 10 patents. He has published 14 articles in various industry trade journals and over a dozen ADI application notes, as well as having presented at ADI’s annual General Technical Conference (GTC) in 2001, 2005, and 2006. He graduated with honors in 1996 with a B.S.E.E. from North Carolina State University. In his spare time, Ken enjoys reading, mathematical puzzles, and most anything related to science, engineering, and “backyard” astronomy. 6 1 + π₯π₯π₯π₯ Ken Gentile Also by this Author: Reconstruct a DAC Transfer Function from Its Harmonic Spectral Content Volume 43, Number 1 Analog Dialogue 49-02, February 2015