從概念到關鍵指標，一文弄清PLL頻率合成器那些事

芻狗

因鎖相環可以實現輸出信號頻率對輸入信號頻率的自動跟蹤，所以鎖相環通常用于閉環跟蹤電路。鎖相環在工作的過程中，當輸出信號的頻率與輸入信號的頻率相等時，輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值，即輸出電壓與輸入電壓的相位被鎖住，這就是鎖相環名稱的由來。

什么是PLL頻率合成器？

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利用頻率合成器，設計人員可以產生單一參考頻率的各種不同倍數的輸出頻率。其主要應用是為RF信號的上變頻和下變頻產生本振（LO）信號。

頻率合成器在鎖相環（PLL）中工作，其中鑒頻鑒相器（PFD）將反饋頻率與基準頻率的某一分頻形式相比較（圖1）。PFD的輸出電流脈沖經過濾波和積分，產生一個電壓。此電壓驅動一個外部電壓控制振蕩器（VCO）提高或降低輸出頻率，從而驅動PFD的平均輸出接近零。

圖1 鎖相環(PLL)框圖

頻率經過計數器縮放。示例中使用了一個ADF4xxx頻率合成器以及一個外部濾波器和VCO。輸入基準（R）計數器將基準輸入頻率（本例中為13MHz）降至PFD頻率（FPFD=FREF/R），反饋（N）計數器降低輸出頻率，在PFD處與經過縮放的基準頻率相比較。達到均衡時，這兩個頻率相等，輸出頻率N×FPFD。反饋計數器為雙模預分頻器類型,具有A計數器和B計數器(N=BP+A,其中P為預分頻值)。

圖2顯示了頻率合成器在超外差式接收機中的典型應用。基站和手機LO是最常見的應用,此外在低頻時鐘發生器(ADF4001)、無線LAN(5.8GHz)、雷達系統和防撞系統(ADF4106)中,頻率合成器也有用武之地。

圖2 用來將GSM RF混頻降至基帶的雙路PLL

選擇PLL頻率合成器時有哪些關鍵性能參數需要考慮?

相位噪聲

對于給定功率水平的載波頻率,頻率合成器的相位噪聲為載波功率與規定頻率偏移(對于頻率合成器通常為1KHz)處1-Hz帶寬上的功率之比。帶內(或近載波)相位噪聲主要取決于頻率合成器,單位為dBc/Hz;VCO噪聲貢獻在閉環中被高通濾波濾除。

參考雜散

是內部計數器和以PFD頻率工作的電荷泵所產生的在離散偏移頻率上出現的頻率成為。電荷泵產生的不匹配高低電流、電荷泵泄露以及電源去耦不充分均會增加這種雜散。雜散音會混合在所需信號之上,降低接收機的靈敏度。

鎖定時間

PLL的鎖定時間是指它從一個指定頻率跳躍到給定頻率公差內的另一個指定頻率所需的時間。跳躍大小一般由PLL在所分配的頻帶內工作時必須完成的最大跳躍決定。GSM-900的步進大小為45MHz,GSM-1800的步進大小為95MHz。要求的頻率公差分別為90Hz和180Hz。PLL必須在不到1.5個時隙內完成所需的頻率步進,每個時隙為577μs。