PLL芯片接口方面最常見的問題

鎖相環(huán)（PLL）是一種反饋系統(tǒng)，其中電壓控制振蕩器（VCO）和相位比較器相互連接，使得振蕩器可以相對于參考信號(hào)維持恒定的相位角度。在使用PLL的過程中您都遇到過哪些問題呢？ADI工程師整理了PLL芯片接口方面最常見的11個(gè)問題，這里分享給大家！

1參考晶振有哪些要求？該如何選擇參考源？

波形： 可以使正弦波，也可以為方波。

功率： 滿足參考輸入靈敏度的要求。

穩(wěn)定性： 通常用 TCXO，穩(wěn)定性要求《 2 ppm。這里給出幾種參考的穩(wěn)定性指標(biāo)和相位噪聲指標(biāo)。

頻率范圍： ADI 提供的 PLL 產(chǎn)品也可以工作在低于最小的參考輸入頻率下，條件是輸入信號(hào)的轉(zhuǎn)換速率要滿足給定的要求。

建議

在PLL 頻率綜合器的設(shè)計(jì)中，我們推薦使用溫度補(bǔ)償型晶振（TCXO）。在需要微調(diào)參考的情況下使用 VCXO，需要注意 VCXO 靈敏度比較小，比如 100Hz/V，所以設(shè)計(jì)環(huán)路濾波器的帶寬不能很大（比如 200Hz），否則構(gòu)成濾波器的電容將會(huì)很大，而電阻會(huì)很小。普通有源晶振，由于其溫度穩(wěn)定性差，在高精度的頻率設(shè)計(jì)中不推薦使用。

2能詳細(xì)解釋下控制時(shí)序、電平及要求嗎？

ADI 的所有鎖相環(huán)產(chǎn)品控制接口均為三線串行控制接口，如圖 1所示。要注意的是：在 ADI 的PLL 產(chǎn)品中，大多數(shù)的時(shí)序圖如圖 1中上面的圖所示，該圖是錯(cuò)誤的，正確的時(shí)序圖如圖 1中下面的圖所示，LE 的上升沿應(yīng)跟 Clock 的上升沿對齊，而非 Clock 的下降沿。

（3 Wire Serial Interface）

控制接口由時(shí)鐘 CLOCK，數(shù)據(jù) DATA，加載使能 LE 構(gòu)成。加載使能 LE 的下降沿提供起始串行數(shù)據(jù)的同步。串行數(shù)據(jù)先移位到 PLL 頻率合成器的移位寄存器中，然后在 LE 的上升沿更新內(nèi)部相應(yīng)寄存器。注意到時(shí)序圖中有兩種 LE 的控制方法。

SPI 控制接口為 3V/3.3V CMOS 電平。另外，需要注意的是對 PLL 芯片的寄存器進(jìn)行寫操作時(shí)，需要按照一定的次序來寫，具體請參照芯片資料中的描述。特別地，在對 ADF4360 的寄存器進(jìn)行操作時(shí)，注意在寫控制寄存器和 N計(jì)數(shù)器間要有一定的延時(shí)。

控制信號(hào)的產(chǎn)生，可以用 MCU，DSP，或者 FPGA。產(chǎn)生的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)一定要干凈，過沖小。當(dāng)用 FPGA 產(chǎn)生時(shí)，要避免競爭和冒險(xiǎn)現(xiàn)象，防止產(chǎn)生毛刺。如果毛刺無法避免，可以在數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線上并聯(lián)一個(gè) 10~47pF 的電容，來吸收這些毛刺。

3控制多片 PLL 芯片時(shí)，串行控制線是否可以復(fù)用？

一般地，控制 PLL 的信號(hào)包括：CE，LE，CLK，DATA。CLK 和 DATA 信號(hào)可以共用，即占用2 個(gè) MCU 的 IO 口，用 LE 信號(hào)來控制對哪個(gè) PLL 芯片進(jìn)行操作。多個(gè) LE 信號(hào)也可以共用一個(gè)MCU 的 IO 口，這時(shí)需要用 CE 信號(hào)對芯片進(jìn)行上電和下電的控制。

4可否簡要介紹環(huán)路濾波器參數(shù)的設(shè)置？

ADIsimPLL V3.3 使應(yīng)用工程師從繁雜的數(shù)學(xué)計(jì)算中解脫出來。我們只要輸入設(shè)置環(huán)路濾波器的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，ADIsimPLL 就可以自動(dòng)計(jì)算出我們所需要的濾波器元器件的數(shù)值。這些參數(shù)包括，鑒相頻率 PFD，電荷泵電流 Icp，環(huán)路帶寬 BW，相位裕度，VCO 控制靈敏度 Kv，濾波器的形式（有源還是無源，階數(shù)）。計(jì)算出的結(jié)果往往不是我們在市面上能夠買到的元器件數(shù)值，只要選擇一個(gè)最接近元器件的就可以。

通常環(huán)路的帶寬設(shè)置為鑒相頻率的 1/10 或者 1/20。

相位裕度設(shè)置為 45 度。

濾波器優(yōu)先選擇無源濾波器。

濾波器開環(huán)增益和閉環(huán)增益以及相位噪聲圖之間的關(guān)系。閉環(huán)增益的轉(zhuǎn)折頻率就是環(huán)路帶寬。相位噪聲圖上，該點(diǎn)對應(yīng)于相位噪聲曲線的轉(zhuǎn)折頻率。如果設(shè)計(jì)的鎖相環(huán)噪聲太大，就會(huì)出現(xiàn)頻譜分析儀上看到的轉(zhuǎn)折頻率大于所設(shè)定的環(huán)路帶寬。

5環(huán)路濾波器采用有源濾波器還是無源濾波器？

有源濾波器因?yàn)椴捎?a href="http://srfitnesspt.com/tags/放大器/" target="_blank">放大器而引入噪聲，所以采用有源濾波器的 PLL 產(chǎn)生的頻率的相位噪聲性能會(huì)比采用無源濾波器的 PLL 輸出差。因此在設(shè)計(jì)中我們盡量選用無源濾波器。其中三階無源濾波器是最常用的一種結(jié)構(gòu)。PLL 頻率合成器的電荷泵電壓 Vp 一般取 5V 或者稍高，電荷泵電流通過環(huán)路濾波器積分后的最大控制電壓低于 Vp 或者接近 Vp。

如果VCO/VCXO 的控制電壓在此范圍之內(nèi)，無源濾波器完全能夠勝任；如果VCO/VCXO 的控制電壓超出了 Vp，或者非常接近 Vp 的時(shí)候，就需要用有源濾波器。在對環(huán)路誤差信號(hào)進(jìn)行濾波的同時(shí)，也提供一定的增益，從而調(diào)整VCO/VCXO控制電壓到合適的范圍。

那么如何選擇有源濾波器的放大器呢？這類應(yīng)用主要關(guān)心一下的技術(shù)指標(biāo)：

低失調(diào)電壓（Low Offset Voltage） ［通常小于 500uV］

低偏流（Low Bias Current） ［通常小于 50pA］

如果是單電源供電，需要考慮使用軌到軌（Rail-to-Rail）輸出型放大器。

6PLL 對于 VCO 有什么要求？如何設(shè)計(jì) VCO 輸出功率分配器？

選擇 VCO 時(shí)，盡量選擇 VCO 的輸出頻率對應(yīng)的控制電壓在可用調(diào)諧電壓范圍的中點(diǎn)。選用低控制電壓的 VCO 可以簡化 PLL 設(shè)計(jì)。

VCO 的輸出通過一個(gè)簡單的電阻分配網(wǎng)絡(luò)來完成功率分配。從 VCO 的輸出看到電阻網(wǎng)絡(luò)的阻抗為 18+（18+50）//（18+50）=52ohm。形成與 VCO 的輸出阻抗匹配。下圖中 ABC 三點(diǎn)功率關(guān)系。B，C 點(diǎn)的功率比 A 點(diǎn)小 6dB。

如下圖是 ADF4360-7 輸出頻率在 850MHz~950MHz 時(shí)的輸出匹配電路，注意該例是匹配到 50 歐的負(fù)載。如果負(fù)載是 75 歐，那么匹配電路無需改動(dòng)，ADF4360-7 的輸出級(jí)為電流源，負(fù)載值的小變動(dòng)不會(huì)造成很大的影響，但要注意差分輸出端的負(fù)載需相等。

7如何設(shè)置電荷泵的極性？

在下列情況下，電荷泵的極性為正。

環(huán)路濾波器為無源濾波器，VCO 的控制靈敏度為正（即，隨著控制電壓的升高，輸出頻率增大）。

在下列情況下，電荷泵的極性為負(fù)。

環(huán)路濾波器為有源濾波器，并且放大環(huán)節(jié)為反相放大；VCO 的控制靈敏度為正。

環(huán)路濾波器為無源濾波器，VCO 的控制靈敏度為負(fù)。

PLL分頻應(yīng)用，濾波器為無源型。即參考信號(hào)直接 RF 反饋分頻輸入端，VCO 反饋到參考輸入的情況。

8鎖定指示電路如何設(shè)計(jì)？

PLL 鎖定指示分為模擬鎖定指示和數(shù)字鎖定指示兩種。

鑒相器和電荷泵原理圖

數(shù)字鎖定指示：

當(dāng) PFD 的輸入端連續(xù)檢測到相位誤差小于 15ns 的次數(shù)為 3（5）次，那么 PLL 就會(huì)給出數(shù)字鎖定指示。

數(shù)字鎖定指示的工作頻率范圍：通常為 5kHz~50MHz。在更低的 PFD 頻率上，漏電流會(huì)觸發(fā)鎖定指示電路；在更高的頻率上，15ns 的時(shí)間裕度不再適合。在數(shù)字鎖定指示的工作頻段范圍之外，推薦使用模擬鎖定指示。

模擬鎖定指示：

對電荷泵輸入端的 Up 脈沖和 Down 脈沖進(jìn)行異或處理后得出的脈沖串。所以當(dāng)鎖定時(shí)，鎖定指示電路的輸出為帶窄負(fù)脈沖串的高電平信號(hào)。圖為一個(gè)典型的模擬鎖定指示輸出（MUXOUT 輸出端單獨(dú)加上拉電阻的情況）。

模擬鎖定指示的輸出級(jí)為 N 溝道開漏結(jié)構(gòu)，需要外接上拉電阻，通常為 10KOhm~160kohm。我們可以通過一個(gè)積分電路（低通濾波器）得到一個(gè)平坦的高電平輸出，如圖所是的藍(lán)色框電路。

誤鎖定的一個(gè)條件：

參考信號(hào)REFIN信號(hào)丟失。當(dāng)REFIN信號(hào)與PLL頻合器斷開連接時(shí)，PLL顯然會(huì)失鎖；然而，ADF41xx 系列的 PLL，其數(shù)字鎖定指示用 REFIN 時(shí)鐘來檢查是否鎖定，如果 PLL 先前已經(jīng)鎖定，REFIN 時(shí)鐘突然丟失，PLL 會(huì)繼續(xù)顯示鎖定狀態(tài)。解決方法是使用模擬鎖定指示。

當(dāng) VCXO 代替 VCO 時(shí)，PLL 常常失鎖的原因。以 ADF4001 為例說明。VCXO 的輸入阻抗通常較?。ㄏ鄬τ?VCO 而言），大約為 100kohm。這樣 VCXO 需要的電流必須由 PLL 來提供。PFD=2MHz， Icp=1.25mA，Vtune=4V，VCXO 輸入阻抗=100kohm，VCXO 控制口電流=4/100k=40uA。在 PFD 輸入端，用于抵消 VCXO 的輸入電流而需要的靜態(tài)相位誤差

16ns》15ns，所以，數(shù)字鎖定指示為低電平。

解決方法1，使用模擬鎖定指示。

解決方法2，使用更高的電荷泵電流來減小靜態(tài)相位誤差。增大環(huán)路濾波器電容，使放電變緩。

9PLL 對射頻輸入信號(hào)有什么要求？

頻率指標(biāo)：可以工作在低于最小的射頻輸入信號(hào)頻率上，條件是 RF 信號(hào)的 Slew Rate 滿足要求。

例如，ADF4106 數(shù)據(jù)手冊規(guī)定最小射頻輸入信號(hào) 500MHz，功率為-10dBm，這相應(yīng)于峰峰值為200mV，slew rate=314V/us。如果您的輸入信號(hào)頻率低于 500MHz，但功率滿足要求，并且slew rate 大于 314V/us，那么 ADF4106 同樣能夠正常工作。通常 LVDS 驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)換速率可以很容易達(dá)到 1000V/us。

10PLL 芯片對電源的要求有哪些？

要求 PLL 電源和電荷泵電源具有良好的退耦，相比之下，電荷泵的電源具有更加嚴(yán)格的要求。具體實(shí)現(xiàn)如下：

在電源引腳出依次放置 0.1uF，0.01uF，100pF 的電容。最大限度濾除電源線上的干擾。大電容的等效串聯(lián)電阻往往較大，而且對高頻噪聲的濾波效果較差，高頻噪聲的抑制需要用小容值的電容。下圖可以看到，隨著頻率的升高，經(jīng)過一定的轉(zhuǎn)折頻率后，電容開始呈現(xiàn)電感的特性。不同的電容值，其轉(zhuǎn)折頻率往往不同，電容越大，轉(zhuǎn)折頻率越低，其濾除高頻信號(hào)的能力越差。

另外在電源線上串聯(lián)一個(gè)小電阻（18ohm）也是隔離噪聲的一種常用方法。

11集成VCO 的ADF4360-x ，其中心頻率如何設(shè)定？

VCO 的中心頻率由下列三個(gè)因素決定。

1）VCO 的電容 C VCO

2）由芯片內(nèi)部 Bond Wires 引入的電感 L BW

3）外置電感 L EXT 。即

其中前2項(xiàng)由器件決定，這樣只要給定一個(gè)外置電感，就可以得到VCO的輸出 中心頻率。VCO的控制靈敏度在相應(yīng)的數(shù)據(jù)手冊上給出。作為一個(gè)例子，下圖給出了 ADF4360-7 的集成 VCO 特性。

ADF4360-7 VCO 輸出中心頻率與外置電感的關(guān)系

ADF4360-7 VCO 的靈敏度與外置電感的關(guān)系

電感的選取，最好選用高 Q 值的。Coilcraft 公司是不錯(cuò)的選擇。市面上常見的電感基本在 1nH以上。更小的電感可以用 PCB 導(dǎo)線制作。這里給出一個(gè)計(jì)算 PCB 引線電感的簡單公式，如下圖所示。

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