由于近期找工作，所以把射頻的一些基礎(chǔ)知識復(fù)習(xí)了一遍,。趁著自己還有點(diǎn)時間和精力,，把鎖相環(huán)的一些知識記錄一下,，基礎(chǔ)功不扎實(shí)，有誤之處還請大佬拍錯,。

1. PLL的工作原理

鎖相環(huán)一般由PD(鑒相器）,LPF（環(huán)路濾波器）,，VCO組成。

有的同學(xué)可能要問了：“既然VCO在給定電壓之后已經(jīng)能輸出頻率了,，為什么不直接拿來用呢,？”

實(shí)際上可以這么用，現(xiàn)在有的晶振會針對某個固定的頻點(diǎn)把頻率優(yōu)化的非常好,，比如一些122.88MHz的 VCXO（外置的VCO）,，這些晶振有個特點(diǎn)，在這個頻點(diǎn)相噪性能優(yōu)化的特別好,。但是晶振一般很難把頻率做高,。而我們PLL中經(jīng)常使用的VCO，頻率變化中頻都是GHz為單位,，變化范圍幾百兆MHz,，若使用開環(huán)VCO（不加PLL的結(jié)構(gòu)），那么出來的頻率信號相噪特別糟糕,，而且隨著電壓變化（例如噪聲,，溫度帶來的影響）導(dǎo)致VCO的輸出頻率發(fā)生漂移。

于是有人提出了使用PLL這樣的結(jié)構(gòu),，能夠輸出比較穩(wěn)定的（LOCKED）頻率,。其主要思想是利用一個相位比較干凈的參考頻率，建立一個閉環(huán)結(jié)構(gòu)來獲取到相位比較干凈的高頻頻率,。

如上圖所示,，輸入信號經(jīng)過鑒相器，當(dāng)反饋信號和fref的相位一致的時候,，PD輸出一個恒定電壓值（實(shí)際上由CP輸出電流）,，從而使得這個系統(tǒng)穩(wěn)定。

如果我們把PD簡單看做一個乘法器,，那么有參考輸入信號

反饋輸入的角頻率為：

N一般表示為反饋DIV的分頻比,。

反饋輸入信號為：

兩者相乘根據(jù)積化和差可以得到高頻和低頻兩個分量。其中高頻的部分會被LPF濾掉,。所以只剩低頻部分,。

對于低頻部分，將相位記為：

要使得系統(tǒng)穩(wěn)定,，即相位恒定,，可以關(guān)于相位對時間t求導(dǎo)數(shù)，當(dāng)?shù)扔?時可以認(rèn)為兩個相位一致,。一般把

看做兩個時鐘的隨機(jī)起振相位,，上電后保持不變,。所以有

當(dāng)導(dǎo)數(shù)為0的時候：

此時有

假如此時參考頻率10MHz，N為350,，可以得到3.5GHz的頻率輸出,。當(dāng)然前提是PLL的VCO支持這個頻段。

當(dāng)然對于現(xiàn)在的芯片,，鑒頻器的參考頻率輸入前也有一個分頻器或者倍頻器,，一般記為R。

2.PLL的環(huán)路帶寬分析

鎖相環(huán)設(shè)計(jì)的最重要一點(diǎn)在于LPF的設(shè)計(jì),。一般來說,，對于LPF的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都是固定的，無非是階數(shù)的不同罷了,，有的PLL芯片會內(nèi)置LPF,，通過配置R和C的大小調(diào)整帶寬，不過一般來說為了性能以及空間受限,，更多的PLL把系統(tǒng)把環(huán)路濾波器放在芯片外面,。

很多初學(xué)PLL都會遇到一個問題，PLL的環(huán)路帶寬怎么設(shè)計(jì),？一般來說LPF越窄,，鎖定時間越長，對一些雜散的抑制越好,，但是同時也不能太窄,，防止對VCO噪聲抑制的不夠。

我們先來看一下PLL的相噪公式：

其中FOM表示鑒相器的噪底,，需要注意的是DIV和上面說的DIV不是同一個東西,。這里的DIV是指時鐘分配器的分頻系數(shù)。對于一些系統(tǒng)需要多個時鐘,，分配器可以將已經(jīng)鎖定的VCO作為多路時鐘輸出,，但是在輸出之前針對不同芯片具體所需要時鐘不同，設(shè)置具體的分頻值,?？梢钥闯觯谚b相頻率Fpfd擴(kuò)大兩倍時候,，相噪可以減少3dB,，所以對于PLL如果可以的話建議使用比較高的鑒相頻率，提高PLL的相噪性能,，但是決定系統(tǒng)Fpfd也需要考慮PD的性能，一般來說PD的鑒相頻率都有一定的范圍,。

我們來看一下大家經(jīng)?？吹降南嘣雸D

一般來說噪聲低頻部分的噪聲由參考頻率的相噪貢獻(xiàn)的,，所以使用一個性能好的參考頻率非常有必要。中頻部分的噪聲由PLL的鑒相器貢獻(xiàn),，在此之后高頻的基本由VCO貢獻(xiàn),。

如果在帶內(nèi)出現(xiàn)雜散，一般會選擇調(diào)整LPF,，使得雜散落在帶外自動濾除,。有些雜散落在帶內(nèi)怎么處理的呢？一般來說雜散來自于電源上的低頻噪聲,，這點(diǎn)就得從電源上著手檢查了,，具體我會在第三部分細(xì)講。

窄帶的LPF可以抑制帶內(nèi)噪聲可以理解,，但“LPF同時也不能太窄,，防止對VCO噪聲抑制的不夠”這句話怎么理解呢？這里就得從負(fù)反饋系統(tǒng)說起了,。

負(fù)反饋系統(tǒng)：

3. PLL的調(diào)試常見問題

參考：ADI的“CLOCK 常見問題解答”和維基百科內(nèi)容