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1、细心整理射频锁相环根底理论环路的性能电路实解锁相环在手机中的应用一根底理论锁相环路(Phase Locked Loop)是一个闭环的相位限制系统，它的输出信号的相位能自动跟踪输入信号相位。系统框图如下： PLLPLLui(t) uo(t) 1(t) 2(t)当与相等时，两矢量以一样的角速度旋转，相对位置，即夹角维持不变，通常数值又较小，这就是环路的锁定状态。从输入信号加到锁相环路的输入端起先，始终到环路到达锁定的全过程，称为捕获过程。设系统最初进入同步状态的时间为。那么从的起始状态到达进入同步状态的全部过程就称为锁相环路的捕获过程。捕获过程所需的时间称为捕获时间。明显，捕获时间的大小不但与环路
2、的参数有关，而且与起始状态有关。对必需的环路来说，是否能通过捕获而进入同步完全取决于起始频差。假设超过某一范围，环路就不能捕获了。这个范围的大小是锁相环路的一个重要性能指标，称为环路的捕获带。捕获状态终了，环路的状态稳定在 (1-1)这就是同步状态的定义。只要在整个变更过程中始终满足(1-1)式，那幺仍称环路处于同步状态。由上可知，在输入固定频率信号的条件之下，环路进入同步状态后，输出信号与输入信号之间频差等于零，相差等于常数，即常数这种状态就称为锁定状态。锁相环路的组成锁相环路为什幺能够进入相位跟踪，实现输出与输入信号的同步呢？因为它是一个相位的负反应限制系统。这个负反应限制系统是由鉴相器P
3、D、环路滤波器LF和电压限制振荡器VCO三个根本部件组成的，根本构成如图： LFPDVCO实际应用中有各种形式的环路，但它们都是由这个根本环路演化而来的。下面逐个介绍根本部件在环路中的作用鉴相器PD 是一个相位比拟装置，用来检测输入信号相位与反应信号相位之间的相位差。输出的误差信号是相差的函数，即鉴相特性可以是多种多样的，有正弦形特性、三角形特性、锯齿形特性等等。常用的正弦鉴相器可用模拟相乘器与低通滤波器的串接作为模型。 环路滤波器LP 具有低通特性，它可以起到图中低通滤波器的作用，更重要的是它对环路参数调整起差确定性的作用。压控振荡器VCO 是一个电压频率变换装置，在环中作为被控振荡器，它的
4、振荡频率应随输入限制电压线性地变更。实际应用中的压控振荡器的限制特性只有有限的线性限制范围，超出这个范围之后限制灵敏度将会下降。压控振荡器应是一个具有线性限制特性的调频振荡器，对它的根本要求是：频率稳定度好包括长期稳定度与短期稳定度；限制灵敏度要高；限制特性的线性度要好；线性区域要宽等等。这些要求之间往往是冲突的，设计中要折衷考虑。压控振荡器电路的形式很多，常用的有压控振荡器、晶体压控振荡器、负阻压控振荡器和压控振荡器等几种。前两种振荡器的频率限制都是用变容管来实现的。由于变容二极管结电容与限制电压之间具有非线性的关系，所以压控振荡器的限制特性确定也是非线性的。为了改善压控特性的线性性能，在电
5、路上接受一些措施，如与线性电容串接或并接，以背对背或面对面方式连接等等。在有的应用场合，如频率合成器等，要求压控振荡器的开环噪声尽可能低，在这种状况下，设计电路时应留意提高有载品质因素和适当增加振荡器激励功率，降低激励级的内阻和振荡管的噪声系数。二. 环路的性能环路的根本性能如上所述，环路有两种根本状态。其一是捕获过程。评价捕获过程性能有两个主要指标。一个是环路的捕获带,即环路能通过捕获过程而进入同步状态所允许的最大固有频差。假设，环路就不能通过捕获进入同步状态。故另一个指标是捕获时间，它是环路由起始时刻到进入同步状态的时刻之间的时间间隔，捕获时间的大小除确定于环路参数之外，还与起始状态有关。
6、一般状况下输入起始频差越大，就越大，通常以起始频差等于，来计算最大捕获时间，并把它作为环路的性能指标之一。环路的另一个根本工作状态是同步。环路锁定之后稳态频差.等于零。稳态相差通常总是存在的。它是一个固定值，反映了环路跟踪的精度，是一重要的指标。此外，已经锁定的锁相环路，假设再变更其固有频差，稳态相差会随之变更。当固有频差增大到某一值时，环路将不能维持锁定。这个锁相环路能够保持锁定状态所允许的最大固有频差称为环路的同步带，也是环路的一个重要参数。上面提到的几项指标是对环路最根本的性能要求。锁相环路作为一个限制系统，要全面衡量它的性能尚有一系列的指标，诸如稳定性、响应速度、对干扰和噪声的过滤实力
7、等等。环路的跟踪性能实际的锁相环路在锁定状态之下的稳态相差通常是比拟小的。锁定之后，假设输入信号的相位发生变更,被控振荡器的输出相位将进展跟踪，在此过程中环路相差是变更的。假设在整个跟踪过程中，环路相差始终比拟小。这种可以将环路近似为线性系统来进展分析的跟踪过程称为线性跟踪。应当留意，线性跟踪是在环路的同步状态下进展的，这是锁相环路正常工作时最常见的状况，工程上有管用价值，应引起我们的重视。当环路处于锁定状态时，输出频率与输入频率一样，两者之间只有一稳态相差。在此条件下，假设输入信号发性相位或频率的变更干扰或调制所引起的，通过环路自身的限制作用，环路输出信号，也即压控振荡器的振荡频率和相位，会
8、跟踪输入信号的变更。假设是志向的跟踪，输出信号的频率和相位应时时与输入信号一样。其实不然，环路需有一个跟踪过程。首先，出现过程，有暂态相位误差，其次在到达稳定状态后，据输入信号形式的不同，有不同的相位误差。上述由于输入信号变更而引起的暂态相位误差和稳态相位误差的大小，是衡量环路途性跟踪性能好坏的重要标记。它们不仅与环路本身的参数有关，还与输入信号的变更形式有关。依据分析可知，对于同一种环路来说，输入信号变更越快，跟踪信能就越差。同一信号参与不同的锁相环路，其稳态相差是不同的。事实上，确定环路稳态跟踪相差的不是环路开环传递函数总极点的个数-“阶”，而是在原点处的极点个数-“型”。 环路噪声性能锁
9、相环路无论工作在哪种应用场合，都不行幸免地受到噪声和干扰的作用。噪声和干扰的来源主要有两类：一类是与信号一起进入环路的输入噪声与谐波干扰。输入噪声包括信号源或信道产生的白高斯噪声、环路作载波提取用时信号调制形成的调制噪声，另一类是环路部件产生的内部噪声与谐波干扰，以及压控振荡器限制端感应的寄生干扰等，其中压控振荡器内部的噪声是主要的噪声源。噪声与干扰的作用势必会增加环路捕获的困难，降低跟踪性能，是环路输出相位产生随机的抖动。假设环路用作频率合成信号源与微波固态信号源，那么输出频谱不纯，短期频率稳定度变差；假设环路用作调制解调器，那么输出信噪比下降，较强的干扰与噪声还会使环路发生跳周和失锁的概率
10、加大，以致出现门限效应。 环路捕获性能捕获概念 在开机、换频、和由开环到闭环，一起先环路总是失锁的，因此环路需经由失锁进入锁定的过程。通常把使环路进入锁定的过程称为捕获。在我们应用的锁相环中，存在相位捕获和频率捕获两个捕获过程。自捕获和帮助捕获 假设环路依靠自己的限制实力到达捕获锁定，称这种捕获过程为自捕获。假设环路借助于帮助电路才能实现捕获锁定，那么称这种捕获过程为帮助捕获。在固定频率输入下，视固有频差的大小，二阶环路有产生稳定的差拍状态和进入锁定两种可能性。保证环路势必进入锁定的最大固有频差值，称为捕获带。由于二阶环的捕获过程包含频率捕获和相位捕获两个过程，通常又把保证环路只有相位捕获一个
11、过程的最大固有频差值，称为快捕带。频率捕获所需的时间，称为频率捕获时间或频率牵引时间。相位捕获所须要的时间称为快捕时间或相位捕获时间。通常频率捕获时间总是远大于相位捕获时间的，所以一般所说的捕获时间，就是指频率捕获时间，而不考虑相位捕获时间的影响。依靠环路的自身捕获，捕获时间长，捕获带窄，另外还可能出现延滞、假锁等不能牢靠捕获的现象。因此探究各种有效的帮助捕获方法，是特别必要的。为改善环路捕获性能，总盼望捕获带越宽越好，捕获时间越短越好。为了加大环路的捕获带，应提高环路的增益K或者增加滤波器的带宽。为缩短环路的捕获时间，除用与前者一样的措施以外，还可设法减小作用到环路上的起始频差。但是加大环路
12、增益或滤波器带宽往往是与提高环路的跟踪性能和滤波性能的要求相冲突的。一般在设计还路时，总是优先考虑环路的跟踪性能和滤波性能，而对捕获性能的要求，那么接受一些帮助捕获的方法来得到满足。此外，为了有效地克制延滞与假锁，在环路中也往往要求参与帮助捕获装置。主要介绍帮助频率捕获方法：它的根本启程点是：1减小作用到环路上的起始频差使之快速落入快捕带内，到达快速锁定。属于这方面的有人工电调、帮助扫描、帮助鉴频和鉴频鉴相等几种方法；2运用两种不同的环路带宽和增益，捕获时使环路具有较大的带宽和增益，锁定以后是环路带宽或增益减小。这就是所谓的变带宽和变增益法。三.电路实解一鉴相器鉴相器是锁相环路的关键部件。在频
13、率合成器中所接受的鉴相器主要有正弦波相位检波器与脉冲取样保持相位比拟器两种。 1) 正弦波相位检波器这种鉴相器事实上是一个平衡混频器,它的原理图如下: 但是它是一种要求平衡度比拟高的检波电路,平衡对称性很重要。它简洁形成纹波输出,这对数字锁相环路特别有害,因为它将使锁相环路输出混有杂散信号所以数字式频率合成器常接受下面的脉冲抽样保持鉴相器。2) 脉冲抽样保持相位比拟器下列图为这种相位比拟器的根本方框图:它有以下两个优点:(1) 输出纹波电压小。(2) 相位比拟可在360范围内进展。首先将参考标准频率和VCO的频率的电压都形成脉冲。频率为的脉冲用来限制一个开关电路,使电容产生周期性的充、放电，形成如下列图a的锯齿形波电压：电 (a) 处产生的锯齿波电压频率=压 t电 b抽样脉冲频率= 压 t (c) 误差信号电 压 t由于，明显，抽样脉冲周期与锯齿波电压的周期是相等的。抽样脉冲的作用是限制抽样开关，使它在脉冲存在时接通，因而记忆电容上所获得的电压即等于这一瞬间的锯齿波电压。当抽样脉冲为零时，抽样开关断路，上既保持原充电电压，如图c所示。假设VCO频率略有变更亦即失步时，即相当于抽样脉冲在中心位置略有摇摆，这就引起误差电压值的变更，从而限制VCO的频率，使之复原到精确的数值即复原同步。最大的变动范围可从到，相当
