鎖相環(huán)中的相位檢測和控制原理分析

　　顧名思義，鎖相環(huán)(PLL)使用鑒相器比較反饋信號與參考信號， 將兩個(gè)信號的相位鎖定在一起。雖然這種特性有許多用武之地，但是 PLL 如今最常用于頻率合成，通常充當上變頻器/下變 頻器中的本振(LO)，或者充當高速 ADC 或 DAC 的時(shí)鐘。

　　或許，我們很少注意這些電路中的相位行為。但隨著(zhù)對效率、帶寬和性能的需求日益增長(cháng)，RF 工程師必須推出新技術(shù)來(lái)提高頻譜和功率效率。信號相位的重復性、可預測性和可調性在現代通信和儀器儀表應用中均起到日益重要的作用。

　　一切都是相對的

　　關(guān)于相位測量，如果不是相對于另一個(gè)信號或相對于原始相位則毫無(wú)意義。例如，使用矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀(VNA)對放大器之類(lèi)的兩端口網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行相位測量，就是相對于輸入相位ANG(S21)測量輸出相位的。單輸入相位指相對于入射相位ANG(S11)的反射相位。在 PLL 合成器上，相位測量指的是相對于輸入參考相位的測量或 信號間的相位測量。任何相位測量的理想狀態(tài)就是測得與原始相位相比的精確期望值，但是非線(xiàn)性、非理想性、溫差和電路板跡線(xiàn)以及其他制造差異都會(huì )使得相位在信號生成中更容易發(fā)生改變。對于本文而言，“同相”是指幅度和時(shí)序特性相同的信號;確定性相位是指信號之間的相移是已知和可預測的。

　　示波器測量相位

　　為了比較兩個(gè)不同頻率的相位，可以使用高速示波器比較輸出相位與參考相位，這是一種相對直觀(guān)的方法。為了直觀(guān)可見(jiàn)， 輸入相位和輸出相位通常必須是彼此的整數倍。這在許多時(shí)鐘電路中相對比較常見(jiàn)。對于整數N分頻PLL，輸入頻率(REFIN)和 輸出頻率(RFOUT)之間的關(guān)系通常是確定和可重復的。只需將示波器探頭放在REFIN和RFOUT上，但注意僅捕獲確定已建立相位時(shí) 的信號。像RTO1044這樣的高級示波器，只有在滿(mǎn)足某些條件時(shí)才允許事件觸發(fā)激活：比如將特定的數字模式寫(xiě)入PLL器件以及已知信號的上升沿出現時(shí)。鑒于數字模式的寫(xiě)入與最終信號穩定之間可能會(huì )有一些延遲，因此在這兩個(gè)事件之間插入一些延遲至關(guān)重要，這種特定型號的儀器就可以實(shí)現這一功能。

　　圖1的測量是為了確認ADF4356 PLL相對于已知參考信號(在這種情況下，另一個(gè)ADF4356設定相同的輸出頻率)的相位延遲在上電時(shí)是否恒定和可重復。為了正確設置儀器，將兩個(gè)低速 探頭連接到 ADF4356 SPI 接口的 CLK 線(xiàn)路和 DATA 線(xiàn)路。若要將數字模式寫(xiě)入特定頻率，則必須等待1秒鐘，儀器才能捕獲顯示兩 個(gè)PLL輸出的時(shí)域圖。

　　圖1. 整數N分頻設置

　　對于此測量，兩個(gè)ADF4356 PLL鎖定在4 GHz的VCO頻率并在8 MHz 至500 MHz的范圍內分頻，其中一個(gè)PLL使用軟件掉電功能反復 開(kāi)啟和關(guān)閉。示波器采用無(wú)限持續模式進(jìn)行119次采集，兩個(gè) PLL之間的相位差恒定且可重復。為了確保相位差可重復，需 遵循許多注意事項。相比較而言，低的R分頻值比高的R分頻值 帶來(lái)的不確定性較少，而且將來(lái)自VCO輸出的分頻反饋饋送到 N計數器輸入至關(guān)重要。鑒于A(yíng)DF4356 PLL和VCO包含1024個(gè)不同 的VCO頻段，務(wù)必使用手動(dòng)校準覆蓋程序來(lái)消除此不確定性。

　　相位再同步定義

　　相位再同步是指小數N分頻PLL在每個(gè)給定頻率下返回相同相移的能力。也就是說(shuō)，相位為P1的頻率A在改為頻率B后，當頻率重新設定為回到F1時(shí)，觀(guān)察到仍具有相同的原始相位P1。該定義忽略了由VCO漂移、漏電流、溫度變化等因素引起的變化。

　　再同步將復位脈沖發(fā)送到小數N分頻∑-?調制器，從而使其處于 已知的可重復狀態(tài)。在完成VCO頻段選擇和環(huán)路濾波器建立時(shí) 間等頻率建立機制之后，需要施加此復位脈沖。其值由寄存 器12中的超時(shí)計數器控制。新近的PLL能夠調整此復位脈沖的 時(shí)序，實(shí)現了一定程度的輸出信號可調性。此外，它還能以 360°/225步進(jìn)改變時(shí)序，比大多數儀器更輕松地完成測量。

　　圖2. 進(jìn)行小數N分頻再同步，頻率范圍4694 MHz至4002.5 MHz

　　對于本實(shí)驗，兩個(gè)ADF4356 VCO的頻率均設定為4002.5 MHz且采 用8分頻。第二個(gè)PLL的VCO頻率設定為4694 MHz，然后設定為回 到4002.5 MHz。通過(guò)使用示波器檢查PLL行為可以看出，在1700 次頻率變化后，PLL每次都穩定在同一相位。

　　為了表征不同的相移特性，相位字設定為4194304/225(相當于 90°)。設定90°、180°、270°和0°的相應類(lèi)似值，再次查看示波 圖(圖3)。

　　圖3. 具有可變相移的相位再同步

　　相對于通道1上的原始信號，觀(guān)察到四個(gè)間隔相等的信號，從 而確認了具有可編程偏移的相位再同步的準確性。

　　該功能非常有用，意味著(zhù)可以為每個(gè)用戶(hù)頻率創(chuàng )建相位值查找 表，在每次使用時(shí)記錄相位值。在需要組合四個(gè)同相LO頻率的 應用中，相位再同步和偏移功能用于調整輸出相位，從而共同 提供低6 dB的相位噪聲。如果用作可調LO(可能在信號分析儀 的第一級上)，再同步和相移功能允許用戶(hù)在上電時(shí)執行一次 性校準以確定每個(gè)LO的精確相位值。在用作LO時(shí)，可以根據需 要按照每個(gè)LO設定相位值，從而無(wú)需在每個(gè)頻率下執行校準。

　　圖4. 需要精確控制PLL輸出相位的相位關(guān)鍵型應用

　　對于像網(wǎng)絡(luò )分析儀這樣的相位關(guān)鍵型應用，該電路可以在上電 時(shí)測量每個(gè)頻率下的相位值，然后根據需要設定，因為L(cháng)O會(huì )作 用于整個(gè)目標范圍。

　　測量相位、矢量信號和網(wǎng)絡(luò )分析儀

　　矢量信號和網(wǎng)絡(luò )分析儀也可用于表征相位行為，盡管其僅限用 于比較器件的相位與其初始值?？梢詫SWP等高級分析儀置于 FM解調模式并選擇相位輸出。

　　這對于評估ADF4356 PLL上的相位再同步功能非常有用。下面的 跡線(xiàn)(圖5)表示ADF4356相位在5025 MHz的輸出頻率下變化了 180°。

　　圖5. 180°相移時(shí)的FSUP FM解調器輸出

　　相位調整

　　相位調整功能可避免∑-?調制器復位，只需為現有相位添加一 個(gè)0°至360°之間的相位字即可。在不希望相位復位的應用中， 這一操作非常有用。它可以用于動(dòng)態(tài)調整相位字以補償由于溫 度等影響而產(chǎn)生的相位差。

　　相位調整在R0每次更新(采用寄存器3的編程值)時(shí)為現有信 號添加相位。它不包含相位再同步等復位脈沖。以下來(lái)自FSWP 的測量結果表示的是原始信號增加90°(圖6)和270°(圖7)的 情況。在這兩種情況下，ADF4356的輸出頻率在相位更改之前 都設置為5025 MHz。

　　圖6. 90°變化

　　圖7. 270°變化

　　整個(gè)溫度范圍內的行為

　　電感器的物理參數隨溫度而變化，其電特性也一樣，表現為相 位變化。為了減少這種相位變化，用戶(hù)可以設定所需的相移以 保持相同的相位。輸出頻率設定為4 GHz的兩個(gè)ADF4356 PLL，以 相同相位放置在同一爐室中，密切跟蹤彼此的相位(圖2)， 從而證明用戶(hù)可以根據溫度調整相位。

　　圖8. ADF4356在整個(gè)溫度范圍內的相位漂移，測量時(shí)的VCO頻率為4 GHz。

　　5G

　　波束成形是實(shí)現5G網(wǎng)絡(luò )架構的一種關(guān)鍵技術(shù)。這些網(wǎng)絡(luò )中使用 個(gè)天線(xiàn)陣列元件，每個(gè)元件具有不同的相位和幅度，將天線(xiàn) 能量直接傳導到最終用戶(hù)。對于該應用，相位重復性是關(guān)鍵。 波束成形需要LO相位具有可重復性，并且如果該相位具有不確 定性，則需要波束成形電路進(jìn)行額外校準。

　　圖9所示為相隔四分之一波長(cháng)并由同相驅動(dòng)的兩個(gè)半波單元的 方向圖。天線(xiàn)輻射圖幾乎是全向的，觀(guān)察不到波束成形。

　　圖9. 無(wú)波束成形

　　圖10 顯示了由90°異相信號驅動(dòng)的兩個(gè)元件，得到的輻射圖顯示輻 射圖更加集中。隨著(zhù)元件陣列數量的增加，朝向最終用戶(hù)的輻 射圖的準確度也有所提升，進(jìn)一步提高了光譜效率。

　　圖10. 波束成形

　　相位再同步功能確保消除了LO相位特性的不確定性。此外，還 能夠調整此相位，為用戶(hù)提供了另一種方法來(lái)克服存在于電路 中而波束成形器或基帶電路難以調整的任何其他相位延遲。

　　所以，相位再同步將ADF4356以及類(lèi)似的PLL器件置于已知相位，這樣可以實(shí)現許多應用并大大簡(jiǎn)化校準程序。