锁相环(PLL)基本概念

 

       锁相环（PLL: Phase-locked loops）是一种利用反馈（Feedback）控制原理实现的频率及相位的同步技术，其作用是将电路输出的时钟与其外部的参考时钟保持同步。当参考时钟的频率或相位发生改变时，鎖相迴路会检测到这种变化，并且通过其内部的反馈系统来调节输出频率，直到两者重新同步，这种同步又称为“鎖相”（Phase-locked）。

 

一、应用领域

       鎖相迴路在众多领域有应用，如无线通信、数字电视、广播等。具体的应用范围包括但不限于：

• 无线通信系统收发模块 (Transceiver)
• 数据及时钟恢复电路 (Clock and Data Recovery - CDR)
• 频率综合电路 (Frequency synthesizer)
• 跳频通信 (Frequency-hopping spread spectrum - FHSS)
• 数字电视接收机

 

二、组成

 2.1、一个鎖相迴路电路通常由以下模块构成：

• 鉴频鉴相器(PFD)(或鉴相器:PD)
• 低通滤波器(LPF)
• 压控振荡器(VCO)
• 反馈回路(通常由一个分频器(Frequency divider)来实现)

        

 

 2.2、每个模块的简单原理描述如下：

• 鉴频鉴相器： 对输入的参考信号和反馈回路的信号进行频率和相位的比较，输出一个代表两者差异的信号至低通滤波器。
• 低通滤波器： 将输入信号中的高频成分滤除，保留直流部分送至压控振荡器。
• 压控振荡器： 输出一个周期信号,其频率由输入电压所控制。
• 反馈回路 ： 将压控振荡器输出的信号送回至鉴频鉴相器。通常压控振荡器的输出信号的频率大于参考信号的频率，因此需在此加入分频器以降低频率。

 

三、分类

• 按照实现技术，可以分为模拟鎖相迴路(Analog PLL)和数字鎖相迴路(Digital PLL)。
• 按照反馈回路，可以分为整数倍分频鎖相迴路(Integer-N PLL)和分数倍分频鎖相迴路(Fractional-N PLL)。
• 按照鉴频鉴相器的实现方式，可以分为电荷泵鎖相迴路(Charge-Pump PLL)和非电荷泵鎖相迴路。
• 按照环路的带宽，它可以分为宽带鎖相迴路(Wide band loop PLL)和窄带鎖相迴路(Narrow band loop PLL)。

 

四、性能指标

       对于鎖相迴路来说，最关键的性能是在于相位雜訊(Phase noise)和动态性能（Dynamics）。

• 鎖相迴路的相位噪声对通信系统的整体性能影响甚大，因此设计中对相位噪声的要求有具体而严格的指标要求。
• 鎖相迴路的动态性能决定了它能够同步参考源的速度和精度，以及在多大范围内能够跟踪参考源。
• 鎖相迴路的动态性能包括：锁定时间(Lock time)，捕获范围(Capture range)，锁定范围(Hold range)等。

       另外，鎖相迴路的稳定性指标包括：环路带宽(Loop bandwidth)，相位裕度(Phase margin)等。

 

五、參考資料

 5.1、https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%94%81%E7%9B%B8%E7%8E%AF