射频篇（三） 模拟、射频器件学习(3) ——锁相环（PLL）

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1、介绍

       锁相环（PLL）是一种典型的反馈控制系统，其工作原理：是检测输入信号和输出信号的相位差，并将检测出的相位差信号通过鉴相器（PD）转换成电压信号输出，经过低通滤波（LPF）后形成压控振荡器（VCO）的控制电压，对振荡器输出信号的频率实施控制，再将压控振荡器（VCO）的输出信号的频率、相位反馈给鉴相器（PD），锁定状态买足输出信号的频率、相位都与参考源、相位一致。原理框图如所示。

            

2、主要原理

        PLL主要由三部分组成：鉴相器（PD），环路滤波器（LF），压控振荡器（VCO）。

2.1、鉴相器（Phase Deceter）

        通过比较两个输入信号的相位差，然后输出一个与此相位差成比例的误差函数。从数学角度上看， 可将常用的正弦鉴相器看作模拟乘法器和滤波器的组合，如所示。其数学模型推导如图 3所示。

                

                       

2.2、环路滤波器（Loop Filter）

        环路滤波器的作用是有效滤除泄露的参考信号以及鉴相器输出端误差信号的高频分量。其原理框图如图五和图六所示。

        

2.3、压控振荡器（VCO）

VCO是一种由电压控制输出频率的振荡器，且控制电压与输出频率有一定的比例关系，比例系数为常数 。

从数学的角度上看，VCO实际上是一个积分器，它通过对输入信号角频率积分，从而得到相应的相位输出： 。其数学模型如图 7所示。

                                

3、性能指标

        相位噪声：对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。

        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。锁相环的动态性能包括：锁定时间(Lock time)，捕获范围(Capture range)，锁定范围(Hold range)等。