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(完整word)锁相环的原理及应用
锁相环的原理及应用
一、 基本工作原理
1、 环路的基本构成
2、 建立鉴相器、环路滤波器和压控振荡器的数学模型
二、 工作过程的定性分析
1、 锁定
2、 跟踪
3、 捕获
4、 失锁
三、 锁相环路的应用
1、 器件选型
锁相频率合成器的分类
HYT常用锁相频率合成芯片性能比较
2、 关键性指标分析
相位噪声
锁定时间
环路带宽
压控灵敏度

一、基本工作原理
锁相环是一种以消除频率误差为目的的反馈控制电路.它的基本原理是利用相位误差去消除频率误差，所以当电路达到平衡状态时,虽然有剩余相位误差存在，但频率误差可以降低到零,从而实现无频率误差的频率跟踪和相位跟踪。
1、环路的基本构成
锁相环是一个相位负反馈控制系统。主要由鉴相器(PD）、环路滤波器(LF）和电压控制振荡器（VCO）三个基本部件组成，如下图所示：

PD
LF
VCO
参考信号
输出信号
图1 锁相环的基本组成

鉴相器是相位比较器，它把输出信号和参考信号的相位进行比较，产生对应于两信号相位差的误差电压。环路滤波器的作用是滤除误差电压中的高频成分和噪声，以保证环路所要求的性能,提高系统的稳定性。压控振荡器受控制电压控制，频率向参考信号的频率靠近，于是两者频率之差越来越小,直至频差消除而被锁定.
2、 建立鉴相器、环路滤波器和压控振荡器的数学模型
Ø 鉴相器
鉴相器（PD）又称为相位比较器，它是用来比较两个输入信号之间的相位差。
按鉴相特性来分，鉴相器可分为正弦型、三角型和锯齿型等,常用来分析的是正弦鉴相器，可用模拟乘法器与低通滤波器构成。
LPF

图2 正弦鉴相其模型
其数学模型为:

－

图3 鉴相器的数学模型
Ø 环路滤波器
环路滤波器(LF）是一个线性低通滤波器，用来滤除误差电压中的高频分量和噪声，更重要的是它对环路参数调整起到决定性的作用.
常用的有：RC积分滤波器
无源比例积分滤波器＊
有源比例积分滤波器
Ø 压控振荡器
压控振荡器（VCO)是一个电压－频率的变换器，在环路中作为被控振荡器，它的振荡频率应随输入控制电压线性的变化，即

其中,是VCO的瞬时角频率,是线性特性斜率,又称压控灵敏度或增益系数.在锁相环路中，VCO的输出对鉴相器起作用的不是瞬时角频率，而是它的瞬时相位.

二、锁相环工作过程的定性分析
Ø 锁定：
当瞬时相差趋向于一个固定值，并一直保持下去，此时我们认为锁相环路进入锁定状态，输入到鉴相器的两信号之间无频差.
Ø 跟踪过程
跟踪是在锁定的前提下，输入的参考频率和相位在一定的范围内，以一定的速率发生变化时，输出信号的频率和相位以同样的规律跟随变化,这一过程成为环路的跟踪过程。
Ø 失锁状态
失锁状态就是瞬时频差总不为零的状态。这时，虽然VCO的平均频率已向的方向牵引，但其瞬时角频率始终不能等于参考信号频率，即环路不能锁定。
Ø 捕获过程
跟踪过程是在环路已锁定的前提下讨论的，但在实际情况中,环路从一开始总是失锁的，例如开机，换频等.环路需要经理一个由失锁进入锁定的过程，这一过程称为捕获过程。

三、锁相环路的应用
1、 器件选型
在参考源和鉴相器之间以及VCO和鉴相器间的反馈回路上置入分频器,与鉴相器集成就形成了频率合成器。目前，我们常用的频率合成器是间接式频率合成器,又称锁相频率合成器。它分为模拟和数字两种,而数字锁相频率合成器又分为整数分频合成器和小数分频合成器.
分频比为整数，输出信号的频率是参考信号频率的整数倍，整数频率合成器的名字由此而来.小数频率合成器的输出信号频率不必是参考信号频率的整数倍，而可以是参考信号频率的小数倍，小数频率合成器在支持较高频率的参考信号的同时可以获得很高的输出频率精度。它有多种实现方式，其中Delta-Sigma小数频率合成器是最成功的实现方式.
小数频率合成器相对于整数频率合成器有精度高，相位噪声低,调整时间短并且参考信号泄漏小等优点。到目前为止，Delta—Sigma小数频率合成器是最成功的频率合成器实现方式，它可以同时实现上述的优点。下面列出了一些小数频率合成器的选择标准：
● 小数频率合成器是否是Delta-Sigma小数频率合成器。
● 小数频率合成器的杂散噪声以及可用频段和非可用频段的比例。
● 频率合成的精度,比例因子M的大小是否足以提供所需的频率间隔。
● 小数频率合成器的功耗。
● 小数频率合成器所支持的最高参考信号频率。
常用频率合成器芯片性能比较

PLL
Frequency
Modulus Pre—scaler
Power supply voltage
Charge pump current
Consumption
ADF4111
Single
≤1。2GHz
8/9,16/17 32/33， 64/65
2.7~5。5V
5mA typ
4。5mA typ
MB1511
Single
≤1.1GHz
64/65， 128/129
2。7~5.5V
5mA typ
7mA typ
KB8825
Dual
≤1。1GHz
64/66
2.2~5。5V（200~550MHz)
2。7~3.6V(550~1100MHz）
800μA
5.5mA typ
TB31202
Dual
200～520MHz
64/66
2。0～5。5V
800μA
8mA typ

2、 关键性指标分析
Ø 相位噪声
相位噪声通常定义为某一给定偏移频率处1Hz带宽内的功率与载波功率的比值。
相位噪声对于锁相环路来说，是一个很关键的指标。在发射部分，线性功放是最难设计的部分，但是一个低相位噪声的本振信号就会给设计者一个很大的空间处理功放的非线性问题。

由表中数据可以看出,锁相环路相位噪声降低时，功放的相位误差有很大程度上的提高。
在接收部分，低相位噪声对于提高接收灵敏度很关键。

从图上可以看出，因为本振信号的相位噪声，使得需要接收的信号被强干扰信号所淹没,滤波器很难滤除这些干扰信号。
Ø 锁定时间
锁定时间是指环路由一个频率转换成另一个频率并达到锁定的时间, 锁定时间不能用来接收和发射数据.若锁定时间过长，则无法跟踪快速扫描，且会造成发射机不稳定，接收信息不完整等问题。
可通过以下方法减小锁定时间:
提高鉴相频率.鉴相器频率决定了VCO输出信号和参考信号经分频后比较的比率,提高鉴相频率可以缩短充电时间,从而减少锁定时间.
增加环路带宽。环路带宽越宽，锁定时间就越短。但环路变宽,就会减少对杂散信号的衰减，提高相位噪声，并且会使环路变得不稳定，严重的会使环路失锁。
避免控制电压接近地或充电泵的供电电压,即避免使充电泵工作在饱和区.
Ø 环路带宽
环路滤波器的种类有很多，最常用的就是三阶无源比例积分滤波器，如下图：

一般来说，滤波器的带宽应该是鉴相器频率的1/10，提高环路带宽会减少锁定时间，但环路带宽不能超过鉴相器频率的1/5，否则会引起环路的不稳定.
环路带宽可以通过改变鉴相频率和泵电流的大小来实现.
Ø 压控灵敏度
压控灵敏度表示单位控制电压可以使VCO角频率变化的数值，又称增益系数。VCO的增益系数越低，其相位噪声性能就越好。
以上这些关键指标相互影响，相互制约,所以在系统设计时，要考虑全面，找到一个合适的平衡点。