鎖相環(huán)（PLL）是電子系統(tǒng)中功能最多，最靈活，最有價值的電路配置之一，因此可用于許多應用。它用于時鐘重定時和恢復，作為頻率合成器，以及作為可調(diào)諧振蕩器，僅舉幾個例子。結(jié)果，PLL存在于許多RF設備中，包括無線電接收器和測試設備。根據(jù)其具體實現(xiàn)，它可以從近DC到GHz和更高頻率服務，在系統(tǒng)和電路中發(fā)揮許多關(guān)鍵作用。

PLL是閉環(huán)（負反饋）架構(gòu)，基本PLL由這些塊組成（圖1）：

圖1：基本PLL是閉環(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(guān)鍵因素。

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信號并產(chǎn)生與其相位差成比例的誤差信號（請記住，相位和頻率密切相關(guān)，因為頻率是相位的時間導數(shù)）;相位檢測器輸出通常進入電荷泵，該電荷泵將小電流差轉(zhuǎn)換為更大的電壓

低通濾波器（LPF），其形成誤差信號的頻譜;這種濾波器的設計通常是工程科學和直觀藝術(shù)的結(jié)合，是設置PLL操作的許多動態(tài)的主要因素。

具有輸出相位/頻率的壓控振蕩器（VCO）由誤差信號控制

VCO輸出端的可選分頻器，使PLL產(chǎn)生參考頻率的多因子N的頻率; N可以是整數(shù)，并且許多PLL設計支持小數(shù)N非整數(shù)除法

VCO（和分頻器，如果使用的話）的輸出進入相位/頻率檢測器完成反饋循環(huán)。在操作中，誤差信號隨著相位差的增加而增加。這會以相反的方向驅(qū)動VCO相位，從而減少誤差信號。結(jié)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很小且相對穩(wěn)定時，PLL被稱為“鎖相”或簡單地“鎖定”。根據(jù)應用，輸出系統(tǒng)中使用的PLL系統(tǒng)的一個或者是VCO的輸出，或者是VCO的控制信號。

PLL當然是在20世紀20年代左右使用真空管設計的。隨著20世紀70年代推出的第一個大眾市場PLL作為IC Signetics NE565（0.001 Hz至500 kHz）的運行，它們的受歡迎程度得到了顯著提升。雖然這部分顯然已經(jīng)過時（并且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)字或混合構(gòu)建信號電路。早期的PLL是全模擬的，具有模擬相位檢測器，低通濾波器，VCO和可選的分頻器;分頻器很快升級為數(shù)字分頻器，允許整數(shù)和小數(shù)整數(shù)除法。數(shù)字PLL現(xiàn)在用一個上下計數(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，也可以使用數(shù)字濾波器，誤差信號驅(qū)動直接數(shù)字合成器作為VCO。

由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的模塊化，廣泛使用和廣泛的應用，PLL是莎士比亞或詹姆斯喬伊斯作品的工程對應物，因為它一直是無數(shù)文章，論文和書籍的主題。他們廣泛分析了PLL的廣泛定性討論以及高度詳細的定量模型;幾乎所有這些分析都始于Gardner和Viterbi 2,3 的經(jīng)典著作。

可用的技術(shù)論文涵蓋了PLL的性能，其每個功能模塊中存在多種噪聲，抖動，漂移，非線性，失真和其他電路缺陷，以及多種輸入的性能信號。其中包括檢查時域和頻域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，捕捉PLL電路和信號的許多現(xiàn)實細微之處。

PLL參數(shù)滿足應用目標

與大多數(shù)模型一樣電子電路，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(guān)鍵。通過調(diào)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(quán)衡性能，以最好地適應應用優(yōu)先級。最重要的因素包括：

工作頻率：PLL的標稱自由頻率及其VCO

工作范圍：頻率范圍PLL和VCO將運行。這包括PLL可以獲取信號并實現(xiàn)鎖定的引入范圍，以及一旦實現(xiàn)鎖定就可以保持鎖定的更寬范圍

回轉(zhuǎn)或捕獲時間：所需的時間PLL在外部操作極限處獲取并鎖定信號，在很大程度上由低通濾波器決定;窄帶寬濾波器具有更長的捕獲時間但限制了噪聲和抖動，而更寬帶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：添加了任何噪聲或抖動通過PLL的元件，即使有完美的信號，它也會出現(xiàn)在輸出端?？傮w噪聲品質(zhì)因數(shù)（FOM）以dBc/Hz表示，并且有幾種不同類型的FOM

死區(qū)：當相位/頻率檢測器的兩個輸入非常接近時，檢測器可能沒有看到這個，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);完整列表可能非常冗長。

PLL IC在頻率，性能，集成方面不斷提升

為了實現(xiàn)給定應用的最佳性能因素組合，PLL的用戶將購買并連接單獨的模塊：階段/頻率檢測器，定制濾波器，VCO和其他元件。當然，模塊和混合設備的制造商很快就提供了完整的PLL作為完全特征化的單元，通過組合多個單獨的IC芯片和分立元件。

然而，對更高頻率的無線系統(tǒng)的需求，例如軟件定義的無線電，智能手機，雷達系統(tǒng)和許多其他應用，一直是IC供應商開發(fā)流程和設計的動力。在高性能單片PLL中。其中許多功能塊集成了大部分或全部功能模塊（取決于頻率和所需性能），從而減少了設計時間，風險，電路板空間和功耗。

例如，Hittite的HMC830LP6GE PLL（現(xiàn)為ADI公司的一部分）是一款小數(shù)N分頻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基站以及通信測試設備，以及具有-110 dBc/Hz的超低帶內(nèi)相位噪聲，-227 dBc/Hz的FOM以及低于180 fsec的均方根抖動的其他應用。

該IC包含一個集成的VCO（圖2），傳統(tǒng)上它是最難集成的功能，同時仍能在高頻率下實現(xiàn)高整體性能。與大多數(shù)PLL一樣，數(shù)據(jù)手冊中有十幾個詳細的圖表，顯示了在各種條件下PLL的許多方面的性能。圖3顯示了在各種溫度下PLL工作范圍內(nèi)的集成均方根抖動。

圖2：ADI公司的HMC830LP6GE代表了最近幾年：將VCO與PLL的其余部分一起放入IC，同時擴展頻率范圍，同時不影響品質(zhì)因數(shù)。

圖3：PLL數(shù)據(jù)手冊通常有許多性能圖，例如HMC830LP6GE的性能圖，它顯示rms抖動（fsec）與頻率的關(guān)系，-40?C，27?C和85?C;注意這個寬范圍內(nèi)的性能穩(wěn)定性。

具有集成VCO的另一個PLL是凌力爾特公司的LTC6948,370 MHz至6.39 GHz小數(shù)N分頻器，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。歸一化的帶內(nèi)相位噪聲基底FOM為-226 dBc/Hz，寬帶輸出相位噪聲基底為-157 dBc/Hz（圖4）。

圖4：其他參數(shù)中，凌力爾特公司的LTC6948數(shù)據(jù)手冊包括歸一化的帶內(nèi)相位噪聲基底FOM和寬帶輸出相位噪聲基底;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，用于快速頻率切換。該IC非常適用于無線基站（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(diào)諧的6.39 GHz寬帶接收機的核心（圖5）。

圖5：即使高度集成的IC也需要無源元件支持，因為這是一個高速，可調(diào)諧的6.39 GHz寬帶接收器的原理圖，基于LTC6948表示。

Maxim Integrated的MAX2870是一款23.5 MHz至6 GHz PLL，帶有小數(shù)/整數(shù)N分頻合成器和VCO（圖6）。該器件通過多個VCO實現(xiàn)超寬頻率，覆蓋3 GHz至6 GHz，可自動選擇或在用戶控制下（通過串行接口）;用戶提供循環(huán)過濾器和參考。相位/頻率檢測器在整數(shù)N模式下工作在105 MHz，在分數(shù)N模式下工作在50 MHz，并接受高達200 MHz的參考頻率。 PLL在多個分頻器設置中表現(xiàn)出優(yōu)異的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通過以下方式實現(xiàn)了6 GHz的額定值使用多個內(nèi)部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，具有不同的分頻因子。

盡管德州儀器LMX2492分數(shù)PLL（圖8），不包括集成VCO，它使用外部VCO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(jié)合使用時，它可以用作77 GHz汽車雷達系統(tǒng)的核心（圖9）;它還包括針對此重點應用的斜坡/啁啾生成。

圖8：德州儀器LMX2492 PLL不包含VCO，但FOM為-227 dBc/Hz時性能達到14 GHz。/p>

圖9：LMX2492針對77 GHz自動雷達等應用，具有雷達所需的積分斜坡和啁啾功能。

由于其200 MHz相位檢測器響應，該PLL還可用于非雷達應用，如移動無線，緊湊型RF，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。盡管具有高頻額定值，但IC的工作電壓為3.15至3.45 V，功耗僅為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)，如增益，濾波器帶寬或范圍。這使軟件能夠在給定電路中調(diào)整這些因素以滿足不斷變化的情況，或允許在多個設計中使用相同的組件。