锁相环

鎖相迴路（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）。

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

组成

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)

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。

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)。

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。

参考文献

• D.Banerjee, PLL Performance, Simulation and Design, Fourth Edition, Dog Ear Publishing, LLC, 2006.

• R.E. Best, Phase-Locked Loops: Design, Simulation, and Applications, McGraw-Hill Professional, 2003.

• F.M. Gardner, Phaselock Techniques, Wiley-Interscience, 2005.

• P.R. Gray et coll., Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, Wiley, 2001.

• T.H. Lee, The Design of CMOS Radio-Frequency Integrated Circuits, Second Edition, Cambridge University Press, 2003.

• B. Razavi, RF Microelectronics, Prentice Hall, 1998.

• K. Shu et E. Sánchez-Sinencio, CMOS PLL Synthesizers: Analysis and Design, Springer, 2004.

• Predicting the Phase Noise and Jitter of PLL-Based Frequency Synthesizers

• MIT Open Course: 6.976 High Speed Communication Circuits and Systems, Spring 2003

• William F. Egan, Phase-Lock Basics, Wiley-IEEE Press, 2 edition, November, 2007

• William F. Egan, Frequency Synthesis by Phase Lock, Wiley-Interscience, 2 edition December,1999

• Circuit sage: Phase Locked Loop Design

• Dennis Fischette's 1-Stop PLL Center

• Ask the Applications Engineer - 30 - PLL Synthesizers

• Jess Chen,“An introduction to the PLL library”, Cadence Design Systems document

• Agilent EEsof EDA Applications: Phase-Locked Loops

• PhD thesis: Modeling and simulation techniques for the accurate verification of Integer-N PLLs