詳解鎖相環(huán) （PLL）電路、信號、模塊組成

　　鎖相環(huán) （PLL） 是電子系統(tǒng)中最通用、最靈活和最有價值的電路配置之一，因此在許多應用中都有使用。它用于時鐘重定時和恢復，作為頻率合成器和可調諧振蕩器，僅舉幾個例子。因此，在包括無線電接收器和測試設備在內(nèi)的許多 RF 設備項目中都可以找到 PLL。根據(jù)其具體實現(xiàn)，它可以服務于近直流到 GHz 和更高的頻率，在系統(tǒng)和電路中發(fā)揮許多關鍵作用。

　　PLL 是閉環(huán)（負反饋）架構，基本 PLL 由以下模塊組成（圖 1）：

　　圖 1：基本 PLL 是一個閉環(huán)負反饋系統(tǒng)，其中參考信號和 VCO 輸出之間的誤差用于校正該輸出；低通濾波器是建立環(huán)路動態(tài)的關鍵要素。

　　相位/頻率檢測器 （PFD）（通常簡稱為相位檢測器 PD）將輸入信號與參考信號進行比較，并產(chǎn)生與其相位差成正比的誤差信號（請記住，相位和頻率密切相關，因為頻率是相位的時間導數(shù)）；相位檢測器的輸出通常進入電荷泵，將小電流差轉換為更大的電壓

　　一個低通濾波器 （LPF），它對誤差信號的頻譜進行整形；這種濾波器的設計通常是工程科學和直觀藝術的結合，并且是設置 PLL 操作的許多動態(tài)的主要因素

　　輸出相位/頻率由誤差信號控制的壓控振蕩器 （VCO）

　　VCO 輸出端的可選分頻器，它使 PLL 以參考頻率的倍數(shù) N 生成頻率；N 可以是整數(shù)，許多 PLL 設計支持小數(shù) N 非整數(shù)除法

　　VCO（和分頻器，如果使用）的輸出進入相位/頻率檢測器以完成反饋環(huán)路。在操作中，誤差信號隨著相位差的增加而增加。這會以相反方向驅動 VCO 相位，從而減少誤差信號。結果，輸出的相位被鎖定到另一個輸入的相位。

　　當 PLL 輸出密切跟蹤輸入并且誤差信號較小且相對穩(wěn)定時，PLL 被稱為“鎖相”或簡稱為“鎖相”。根據(jù)應用，系統(tǒng)中使用的 PLL 系統(tǒng)的輸出要么是 VCO 的輸出，要么是 VCO 的控制信號。

　　當然，PLL 最初是在 1920 年代左右使用真空管設計的。隨著 1970 年代第一款大眾市場 PLL 作為 IC Signetics NE565 用于 0.001 Hz 至 500 kHz 工作頻率的推出，它們的受歡迎程度顯著擴大。雖然這部分現(xiàn)在顯然已經(jīng)過時（Signetics 早已不復存在），但其數(shù)據(jù)表已存檔并可在線獲取1。

　　PLL 可以使用模擬、數(shù)字或混合信號電路構建。早期的 PLL 是全模擬的，帶有模擬鑒相器、低通濾波器、VCO 和可選的分頻器；除法器很快升級為數(shù)字除法器，以允許整數(shù)和小數(shù)整數(shù)除法。數(shù)字 PLL 現(xiàn)在用升降計數(shù)器代替相位檢測器，該計數(shù)器在數(shù)字域中執(zhí)行類似功能，并且還可以使用數(shù)字濾波器，誤差信號驅動直接數(shù)字合成器作為 VCO。

　　由于其內(nèi)部結構的模塊化、廣泛使用和廣泛應用，PLL 是莎士比亞或詹姆斯喬伊斯作品的工程對應物，因為它已成為無數(shù)文章、論文和書籍的主題。他們通過廣泛的定性討論和高度詳細的定量模型對 PLL 進行了廣泛的分析；幾乎所有此類分析都始于 Gardner 和 Viterbi 的經(jīng)典著作2，3。

　　可用的技術論文涵蓋了 PLL 的性能，包括每個功能塊中的多種噪聲、抖動、漂移、非線性、失真和其他電路缺陷，以及多種輸入信號的性能。其中包括在時域和頻域中檢查 PLL 操作的論文；一些專注于簡單的一階模型，而另一些則使用高度復雜的模型來捕捉 PLL 電路和信號的許多真實世界的細微之處。

　　PLL 參數(shù)滿足應用目標

　　與大多數(shù)電子電路一樣，有一些基本參數(shù)適用于幾乎所有應用，有些在特定情況下更為關鍵。通過調整相位檢測器、低通濾波器、VCO 和分頻器的一些設計細節(jié)，PLL 設計可以在這些參數(shù)之間權衡性能，以最好地滿足應用優(yōu)先級。頂級因素包括：

　　工作頻率：PLL 及其 VCO 的標稱、自由運行頻率

　　工作范圍：PLL 和 VCO 將工作的頻率跨度。這包括 PLL 可以獲取信號并實現(xiàn)鎖定的拉入范圍，以及一旦實現(xiàn)它可以保持鎖定的更寬范圍

　　轉換或捕獲時間：PLL 捕獲并鎖定在操作外部限制的信號所花費的時間，這在很大程度上由低通濾波器決定；帶寬較窄的濾波器具有較長的捕獲時間，但會限制噪聲和抖動，而帶寬較寬的濾波器具有更快的響應，但允許更多噪聲通過 PLL 系統(tǒng)

　　噪聲和抖動：由 PLL 的元件添加并因此出現(xiàn)在其輸出端的任何噪聲或抖動，即使是完美的信號也是如此。整體噪聲品質因數(shù) （FOM） 以 dBc/Hz 表示，有幾種不同類型的 FOM

　　死區(qū)：當相位/頻率檢測器的兩個輸入非常接近時，檢測器可能看不到這一點，因此不會產(chǎn)生錯誤輸出；這有點類似于電子滯后或機械靜摩擦

　　許多其他因素也可能適用于不同應用中的 PLL，例如無雜散動態(tài)范圍 （SFDR）、失真、截距和溫度系數(shù)；完整的列表可能很長。

　　PLL IC 在頻率、性能、集成度方面不斷提高

　　為了實現(xiàn)給定應用的最佳性能因素組合，PLL 用戶將購買并連接單獨的模塊：相位/頻率檢測器、定制濾波器、VCO 和其他元件。當然，模塊和混合設備制造商很快通過組合多個單獨的 IC 芯片和分立元件，提供完整的 PLL 作為完全表征的單元。

　　然而，對更高頻率的無線系統(tǒng)的需求，例如對軟件定義無線電、智能手機、雷達系統(tǒng)和許多其他應用的需求，一直激勵 IC 供應商開發(fā)能夠產(chǎn)生高性能單片 PLL 的工藝和設計。其中許多集成了大部分或所有功能塊（取決于頻率和所需的性能），從而減少了設計時間、風險、電路板空間和功耗。

　　例如，Hittite（現(xiàn)為 Analog Devices 的一部分）的HMC830LP6GE PLL是一個小數(shù) N PLL，工作頻率范圍為 25 MHz 至 3 GHz。它針對蜂窩/4G 基礎設施、中繼器和毫微微蜂窩以及通信測試設備，以及具有 -110 dBc/Hz 的超低帶內(nèi)相位噪聲、-227 dBc/Hz 的 FOM 和低于 180 fsec 的 rms 抖動的其他應用。

　　該 IC 包括一個集成 VCO（圖 2），傳統(tǒng)上它一直是最難集成的功能，同時仍能在高頻下實現(xiàn)高整體性能。與大多數(shù) PLL 一樣，數(shù)據(jù)手冊有十多個詳細圖表，顯示了 PLL 在各種條件下的許多方面的性能。圖 3 顯示了 PLL 在不同溫度下工作范圍內(nèi)的集成 rms 抖動。

　　圖 2：Analog Devices 的 HMC830LP6GE 代表了過去幾年的趨勢：將 VCO 與 PLL 的其余部分一起放入 IC 中，同時擴展頻率范圍且不影響品質因數(shù)。

　　圖 3：PLL 數(shù)據(jù)表通常有許多性能圖表，例如 HMC830LP6GE 的這張圖表，顯示了 -40?C、27?C 和 85?C 時的 rms 抖動 （fsec） 與頻率的關系；請注意在該范圍內(nèi)的性能穩(wěn)定性。

　　另一個具有集成 VCO 的 PLL 是凌力爾特公司的LTC6948，它是一款 370 MHz 至 6.39 GHz 小數(shù) N 器件，還具有超低噪聲。它還包括一個參考分頻器、相位/頻率檢測器、電荷泵、分數(shù)反饋分頻器和 VCO 輸出分頻器。歸一化帶內(nèi)相位噪底 FOM 為 -226 dBc/Hz，寬帶輸出相位噪底為 –157 dBc/Hz（圖 4）。

　　圖 4：除其他參數(shù)外，Linear Technology 的 LTC6948 數(shù)據(jù)表還包括歸一化帶內(nèi)相位本底噪聲 FOM 和寬帶輸出本底相位噪聲；后者在最高頻率下從 –100 dBc/Hz 下降到 –157 dBc/Hz。

　　它支持高達 425 MHz 的參考輸入頻率，以實現(xiàn)快速頻率切換。該IC非常適合無線基站（LTE、WiMAX、W-CDMA、PCS）等應用；微波數(shù)據(jù)鏈路和軍用/安全無線電，它可以用作高速、可調諧 6.39 GHz 寬帶接收器的核心（圖 5）。

　　圖 5：即使是高度集成的 IC 也需要無源元件支持，正如該基于 LTC6948 的高速、可調諧 6.39 GHz 寬帶接收器的原理圖所示。

　　Maxim Integrated 的 MAX2870是一款 23.5 MHz 至 6 GHz PLL，帶有小數(shù)/整數(shù) N 合成器和 VCO（圖 6）。該設備通過覆蓋 3 GHz 至 6 GHz 的多個 VCO 實現(xiàn)其超寬頻率，可以自動選擇或在用戶控制下（通過串行接口）選擇；用戶提供環(huán)路濾波器和參考。相位/頻率檢測器在整數(shù) N 模式下工作至 105 MHz，在小數(shù) N 模式下工作至 50 MHz，并接受高達 200 MHz 的參考頻率。PLL 在多個分頻器設置中顯示出出色的 6.0 GHz 相位噪聲性能（圖 7）。應用包括無線基礎設施、測試和測量、衛(wèi)星通信和無線局域網(wǎng)。

　　圖 6：Maxim Integrated 的 MAX2870 通過使用多個內(nèi)部 VCO 實現(xiàn)了 6 GHz 額定值，這些 VCO 可以自動選擇或由用戶主動選擇。

　　圖 7：PLL 供應商再次提供了詳細的性能規(guī)格，例如 MAX2870 在工作帶寬內(nèi)的相位噪聲圖，具有不同的分頻系數(shù)。

　　盡管Texas Instruments LMX2492小數(shù)分頻 PLL（圖 8）不包括集成 VCO，但它使用外部 VCO 可在 500 MHz 至 14 GHz 范圍內(nèi)工作；其 FOM 為 -227 dBc/Hz。當與合適的環(huán)路分頻器結合使用時，它可以用作 77 GHz 汽車雷達系統(tǒng)的核心（圖 9）；它還包括針對這一重點應用的斜坡/啁啾生成。

　　圖 8：Texas Instruments LMX2492 PLL 不包括 VCO，但在 -227 dBc/Hz 的 FOM 下達到 14 GHz 性能。

　　圖 9：LMX2492 面向 77 GHz 汽車雷達等應用，具有雷達所需的集成斜坡和啁啾功能。

　　由于其 200 MHz 相位檢測器響應，該 PLL 還可用于非雷達應用，例如移動無線、緊湊型射頻、雷達模塊、微波回程、示波器、頻譜分析儀、陸地移動無線電和軟件定義無線電。盡管其額定頻率很高，但該 IC 采用 3.15 至 3.45 V 電源供電，耗散電流僅為 60 mA。

　　除了 RF 性能之外，許多 PLL 現(xiàn)在還包括 SPI 或 I 2 C 串行接口，因此系統(tǒng)處理器可以設置和更改一些 PLL 參數(shù)，例如增益、濾波器帶寬或范圍。這使軟件能夠調整給定電路中的這些因素以滿足不斷變化的場景，或者允許在多個設計中使用相同的組件。

　　概括

　　幾十年來，PLL 一直是許多用于通信、合成、時鐘、信號生成和信號恢復應用的電子系統(tǒng)的關鍵部分。新 IC 正在將頻率、噪聲和抖動性能方面的性能規(guī)范推向新的水平，同時將更多功能集成到單個設備中。通過在環(huán)路設計本身內(nèi)添加數(shù)字功能，或作為建立 PLL 工作點的控制功能，PLL 的多功能性和靈活性進一步增強。

　　參考：

　　Signetics NE565 數(shù)據(jù)表

　　Gardner， Floyd M. （2005），Phaselock 技術（第 3 版），Wiley-Interscience，ISBN 978-0-471-43063-6

　　Viterbi， Andrew J.，連貫通信原理，McGraw-Hill。