PLL鎖相環(huán)的基本結構及工作原理

　　PLL（Phase Locked Loop）： 為鎖相回路或鎖相環(huán)，用來(lái)統一整合時(shí)脈訊號，使高頻器件正常工作，如內存的存取資料等。PLL用于振蕩器中的反饋技術(shù)。 許多電子設備要正常工作，通常需要外部的輸入信號與內部的振蕩信號同步。一般的晶振由于工藝與成本原因，做不到很高的頻率，而在需要高頻應用時(shí)，有相應的器件VCO，實(shí)現轉成高頻，但并不穩定，故利用鎖相環(huán)路就可以實(shí)現穩定且高頻的時(shí)脈沖訊號。

　　鎖相的意義是相位同步的自動(dòng)控制，能夠完成兩個(gè)電信號相位同步的自動(dòng)控制閉環(huán)系統叫做鎖相環(huán)，簡(jiǎn)稱(chēng)PLL。它廣泛應用于廣播通信、頻率合成、自動(dòng)控制及時(shí)鐘同步等技術(shù)領(lǐng)域。

　　一個(gè)典型的鎖相環(huán)（PLL）系統，是由鑒相器（PD），壓控蕩器（VCO）和低通濾波器（LPF）三個(gè)基本電路組成，如圖

　　鎖相環(huán)路的捕捉與跟蹤過(guò)程

　　當鎖相環(huán)路剛開(kāi)始工作時(shí)，其起始時(shí)一般都處于失鎖狀態(tài)，由于輸入到鑒相器的二路信號之間存在著(zhù)相位差，鑒相器將輸出誤差電壓來(lái)改變壓控振蕩器的振蕩頻率，使之與基準信號相一致。鎖相環(huán)由失鎖到鎖定的過(guò)程，人們稱(chēng)為捕捉過(guò)程。系統能捕捉的最大頻率范圍或最大固有頻帶稱(chēng)為捕捉帶或捕捉范圍。

　　當鎖相環(huán)路鎖定后，由于某些原因引起輸入信號或壓控振蕩器頻率發(fā)生變化，環(huán)路可以通過(guò)自身的反饋迅速進(jìn)行調節。結果是VCO的輸出頻率、相位又被鎖定在基準信號參數上，從而又維持了環(huán)路的鎖定。這個(gè)過(guò)程人們稱(chēng)為環(huán)路的跟蹤過(guò)程。系統能保持跟蹤的最大頻率范圍或最大固有頻帶稱(chēng)為同步帶或同步范圍，或稱(chēng)鎖定范圍。

　　捕捉過(guò)程與跟蹤過(guò)程是鎖相環(huán)路的兩種不同的自動(dòng)調節過(guò)程。

　　由此可見(jiàn)，自動(dòng)頻率控制（AFC）電路，在鎖定狀態(tài)下，存在著(zhù)固定頻差。而鎖相環(huán)路控制（PLL）電路，在鎖定狀態(tài)下，則存在著(zhù)固定相位差。雖然鎖相環(huán)存在著(zhù)相位差，但它和基準信號之間不存在頻差，即輸出頻率等于輸入頻率．這也表明，通過(guò)鎖相環(huán)來(lái)進(jìn)行頻率控制，可以實(shí)現無(wú)誤差的頻率跟蹤．其效果遠遠優(yōu)于自動(dòng)頻率控制電路。

　　一．鑒相器（PD）

　　鑒相器是鎖相環(huán)路中的一個(gè)關(guān)鍵單元電路，它負責將兩路輸入信號進(jìn)行相位比較，將比較結果從輸出端送出。 鑒相器的電路類(lèi)型很多，最常用的有以下三種電路。

　?。?）模擬乘法器鑒相器，這種鑒相器常常用于鑒相器的兩路輸入信號均為正弦波的鎖相環(huán)電路中。

　?。?）異或門(mén)鑒相器，這種鑒相器適合兩路輸入信號均為方波信號的鎖相環(huán)電路中，所以異或門(mén)鑒相器常常應用于數字電路鎖相環(huán)路中。

　?。?）邊沿觸發(fā)型數字鑒相器，這種鑒相器也屬于數字電路型鑒相器，對輸入信號要求不嚴，可以是方波，也可以是矩形脈沖波，這種電路常用于高頻數字鎖相環(huán)路中。

　　1．異或門(mén)鑒相器 異或門(mén)的邏輯真值表示于表1，圖2是邏輯符號圖。

　　從表1可知，如果輸入端A和B分別送入占空比為50%的信號波形， 則當兩者存在相位差Dθ時(shí)，輸出端F的波形的占空比與Δθ有關(guān)，見(jiàn)圖3。將F輸出波形通過(guò)積分器平滑，則積分器輸出波形的平均值，它同樣與Δθ有關(guān)，這樣，我們就可以利用異或門(mén)來(lái)進(jìn)行相位到電壓的轉換，構成相位檢出電路。于是經(jīng)積分器積分后的平均值（直流分量）為：

　　U = Vdd * Δ θ/π （1）

　　不同的Δθ，有不同的直流分量Vd。Δθ與V的關(guān)系可用圖4來(lái)描述。從圖中可知，兩者呈簡(jiǎn)單線(xiàn)形關(guān)系：

　　Ud = Kd *Δθ （2）

　　Kd 為鑒相靈敏度

　　2．邊沿觸發(fā)鑒相器 前已述及，異或門(mén)相位比較器在使用時(shí)要求兩個(gè)作比較的信號必須是占空比為50%的波形，這就給應用帶來(lái)了一些不便。而邊沿觸發(fā)鑒相器是通過(guò)比較兩輸入信號的上跳邊沿（或下跳邊沿）來(lái)對信號進(jìn)行鑒相，對輸入信號的占空比不作要求。

　　二．壓控振蕩器（VCO）

　　壓控振蕩器是振蕩頻率ω0受控制電壓U­F（t）控制的振蕩器，即是一種電壓——頻率變換器。VCO的特性可以用瞬時(shí)頻率ω0（t）與控制電壓U­F（t）之間的關(guān)系曲線(xiàn)來(lái)表示。未加控制電壓時(shí)（但不能認為就是控制直流電壓為0，因控制端電壓應是直流電壓和控制電壓的疊加），VCO的振蕩頻率，稱(chēng)為自由振蕩頻率ωom，或中心頻率，在VCO線(xiàn)性控制范圍內，其瞬時(shí)角頻率可表示為：

　　ωo（t）= ωom + K0 UF（t）

　　式中，K0——VCO控制特性曲線(xiàn)的斜率，常稱(chēng)為VCO的控制靈敏度，或稱(chēng)壓控靈敏度。

　　壓控振蕩器（VCO）是鎖相環(huán)（PLL）的被控對象。壓控振蕩器是一個(gè)電壓—頻率變換裝置，在環(huán)路中作為頻率可調振蕩器，其振蕩頻率應隨輸入控制電壓線(xiàn)性地變化。它輸出的信號根據鎖相環(huán)的不同要求，可分為正弦波壓控振蕩器與非正弦波壓控振蕩器兩大類(lèi)。

　　正弦波壓控振蕩器一般由LC點(diǎn)式振蕩器與變容二極管組成．它的工作原理與計算公式和電容三點(diǎn)式正弦波振蕩器完全一樣。由于正弦波VCO受到變容二極管結電容變化范圍的限制，因此一般振蕩頻率變化范圍都不是太大。非正弦波壓控振蕩器的種類(lèi)較多，由于它的頻率變化范圍大，控制線(xiàn)性好，所以應用比較廣泛。這類(lèi)壓控振蕩器常見(jiàn)的幾種電路有射極定時(shí)壓控多諧振蕩器、積分型施密特壓控振蕩器、數字門(mén)電路壓控振蕩器。

　　圖為兩種方波壓控振蕩器電路。

　　三．環(huán)路濾波器

　　這里僅討論無(wú)源比例積分濾波器如圖5。其傳遞函數為：

　　式中：τ1 = R1 C

　　τ2 = R2 C

　　圖為目前比較常用的三種環(huán)路濾波器電路。從圖中可以看出，三種電路的復雜程度不一樣。第一種簡(jiǎn)單的RC濾波器所用元件最少，電路也最簡(jiǎn)單。有源比例積分濾波器，使用 元件最多，電路也比較復雜。

　　但從濾波效果的角度來(lái)衡量，有源比例積分濾波器的濾波效果最好，簡(jiǎn)單RC濾波器濾波效果最差，RC比例積分濾波器的濾波效果介于二者之間。設計電路時(shí)，可以根據鎖相環(huán)路的要求選擇不同的環(huán)路濾波器。

　　四．鎖相環(huán)的相位模型及傳輸函數

　　圖為鎖相環(huán)的相位模型。要注意一點(diǎn)，鎖相環(huán)是一個(gè)相位反饋系統，在環(huán)路中流通的是相位，而不是電壓。因此研究鎖相環(huán)的相位模型就可得環(huán)路的完整性能。

　　由圖6可知：

　?。?）當A點(diǎn)斷開(kāi)環(huán)路時(shí)，鎖相環(huán)的開(kāi)環(huán)相位傳輸函數為

　?。?）環(huán)路閉合時(shí)的相位傳輸函數為

　?。?）環(huán)路閉合時(shí)的相位誤差傳輸函數為

　　當環(huán)路濾波器選用無(wú)源比例積分濾波器時(shí)，經(jīng)推導可得：

　　式中

　　同樣可得：

　　ωn稱(chēng)為系統的固有頻率或自然角頻率；

　　x 稱(chēng)為系統的阻尼系數。

　　要注意的是上面討論中的ω指的是輸入信號相位的變化角頻率，而不是輸入信號本身的角頻率。如輸入信號是調頻信號，則ω指的是調制信號的角頻率而不是載波的角頻率。

　　五．鎖相環(huán)的同步與捕捉

　　鎖相環(huán)的輸出頻率（或VCO的頻率）ωo能跟蹤輸入頻率ωi的工作狀態(tài)，稱(chēng)為同步狀態(tài)，在同步狀態(tài)下，始終有ωo = ωi。在鎖相環(huán)保持同步的條件下，輸入頻率ωi的最大變化范圍，稱(chēng)為同步帶寬，用DωH 表示。超出此范圍，環(huán)路則失鎖。

　　失鎖時(shí)，ωo≠ωi，如果從兩個(gè)方向設法改變ωi，使ωi向ωo靠攏，進(jìn)而使Δωo =（ωi－ωo）↓，當Δωo小到某一數值時(shí)，環(huán)路則從失鎖進(jìn)入鎖定狀態(tài)。這個(gè)使PLL經(jīng)過(guò)頻率牽引最終導致入鎖的頻率范圍稱(chēng)為捕捉帶Δωp。同步帶ΔωH，捕捉帶Δωp 和VCO 中心頻率ωo的 關(guān)系如圖7。