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利用集成鎖相環提高設計系統的頻率性能

時間:2019-02-19 08:33:43來源:不詳 作者:admin 點擊:
鎖相環(PLL)是電子系統中功能最多,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,以及作為可調諧振蕩器,僅舉幾個例子

相環(PLL)是電子系統中功能最多,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,以及作為可調諧振蕩器,僅舉幾個例子。結果,PLL存在于許多RF設備中,包括無線電接收器和測試設備。根據其具體實現,它可以從近DC到GHz和更高頻率服務,在系統和電路中發揮許多關鍵作用。

PLL是閉環(負反饋)架構,基本PLL由這些塊組成(圖1):

利用集成鎖相環提高設計系統的頻率性能

圖1:基本PLL是閉環負反饋系統,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路動態的關鍵因素。

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,因為頻率是相位的時間導數);相位檢測器輸出通常進入電荷泵,該電荷泵將小電流差轉換為更大的電壓

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的結合,是設置PLL操作的許多動態的主要因素。

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產生參考頻率的多因子N的頻率; N可以是整數,并且許多PLL設計支持小數N非整數除法

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。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動VCO相位,從而減少誤差信號。結果,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定時,PLL被稱為“鎖相”或簡單地“鎖定”。根據應用,輸出系統中使用的PLL系統的一個或者是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過時(并且Signetics早已不復存在),但其數據表已存檔并可在線獲取 1 。

PLL可以使用模擬,數字或混合構建信號電路。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字分頻器,允許整數和小數整數除法。數字PLL現在用一個上下計數器代替相位檢測器,該計數器在數字域中執行類似功能,也可以使用數字濾波器,誤差信號驅動直接數字合成器作為VCO。

由于其內部結構的模塊化,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 的經典著作。

可用的技術論文涵蓋了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實細微之處。

PLL參數滿足應用目標

與大多數模型一樣電子電路,有一些基本參數適用于幾乎所有應用,有些在特定情況下更為關鍵。通過調整相位檢測器,低通濾波器,VCO和分頻器的一些設計細節,PLL設計可以在這些參數之間權衡性能,以最好地適應應用優先級。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鎖定的引入范圍,以及一旦實現鎖定就可以保持鎖定的更寬范圍

回轉或捕獲時間: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

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,它也會出現在輸出端。總體噪聲品質因數(FOM)以dBc/Hz表示,并且有幾種不同類型的FOM

死區: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,例如無雜散動態范圍(SFDR),失真,截距和溫度系數;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。www.cidxh.club

本文地址:http://www.cidxh.club/dz/22/15505364863180.shtml

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