6.1 鎖相環(huán)路（PLL）電路基礎

6.1鎖相環(huán)路（PLL）電路基礎6.1.1鎖相環(huán)路的基本特性鎖相環(huán)路（PLL，PhaseLockedLoop）是一個相位誤差控制系統(tǒng)，是將參考信號與輸出信號之間的相位進行比較，產(chǎn)生相位誤差電壓來調(diào)整輸出信號的相位，以達到與參考信號同頻的目的。1．良好的跟蹤特性鎖相環(huán)路的輸出信號頻率可以精確地跟蹤輸入?yún)⒖夹盘栴l率的變化，環(huán)路鎖定后，輸入?yún)⒖夹盘柡洼敵鲂盘栔g的穩(wěn)態(tài)相位誤差，可以通過增加環(huán)路增益而被控制在所需數(shù)值范圍內(nèi)。這種輸出信號頻率隨輸入?yún)⒖夹盘栴l率變化的特性稱為鎖相環(huán)的跟蹤特性。2．良好的窄帶濾波特性當壓控振蕩器的輸出頻率鎖定在輸入?yún)⒖碱l率上時，由于信號頻率附近的干擾形式將以低頻干擾的成分進入環(huán)路，絕大部分的干擾會受到環(huán)路濾波器低通特性的抑制，從而減少了對壓控振蕩器的干擾作用。所以，鎖相環(huán)路具有好的窄帶濾波特性，環(huán)路對干擾的抑制作用就相當于一個窄帶的高頻帶通濾波器，其通帶可以做得很窄（如在數(shù)百兆赫茲的中心頻率上，帶寬可做到幾赫茲）。不僅如此，還可以通過改變環(huán)路濾波器的參數(shù)和環(huán)路增益來改變帶寬，作為性能優(yōu)良的跟蹤濾波器，用以接收信噪比低、載頻漂移大的空間信號。3．良好的門限特性在調(diào)頻通信中，鎖相環(huán)路用做鑒頻器時也有門限效應存在。但是，在相同的調(diào)制系數(shù)的條件下，它比普通鑒相器的門限低。當鎖相環(huán)路處于調(diào)制跟蹤狀態(tài)時，環(huán)路有反饋控制作用，跟蹤相位差小，這樣，通過環(huán)路的作用，限制了跟蹤的變化范圍，減少了鑒相特性的非線性影響，改善了門限特性。鎖相環(huán)路在通信系統(tǒng)中的用途極為廣泛。例如，鎖相接收機、微波鎖相振蕩源、鎖相調(diào)頻器、鎖相鑒頻器、窄帶的高頻帶通濾波器等。在鎖相頻率合成器中，鎖相環(huán)路具有穩(wěn)頻作用，能夠完成頻率的加、減、乘、除等運算，可以作為頻率的加減器、倍頻器、分頻器等使用。目前在比較先進的模擬和數(shù)字通信系統(tǒng)中大都使用了鎖相環(huán)路。6.1.2鎖相環(huán)路的基本結構鎖相環(huán)路的基本結構如圖6.1.1所示，由鑒相器（PD，PhaseDetector）、環(huán)路濾波器（LF，LoopFilter）和壓控振蕩器（VCO，VoltageControlOscillator）三個部分組成。圖6.1.1鎖相環(huán)路的基本結構1．鑒相器（PD）鑒相器（PD）用來比較輸入信號ui(t)與壓控振蕩器輸出信號uo(t)的相位，它的輸出電壓ud(t)是對應于這兩個信號相位差的函數(shù)。鑒相器是鎖相環(huán)路的關鍵部件，形式很多。例如采用模擬乘法器的正弦波鑒相器，設輸入信號ui(t)為（6.1.1）壓控振蕩器輸出信號uo(t)為

（6.1.2）經(jīng)乘法器相乘后，其輸出通過環(huán)路濾波器濾波，將其中高頻分量濾除，則鑒相器的輸出ud(t)為（6.1.3）（6.1.4）式中，，其中，Am為乘法器的增益系數(shù)，量綱為1/V。。鑒相器的作用是將兩個輸入信號的相位差轉變?yōu)檩敵鲭妷簎d(t)。

由式（6.1.4）可得出鑒相特性，如圖6.1.2所示。圖6.1.2正弦鑒相特性曲線由于ud

(t)隨呈周期性的正弦變化，因此這種鑒相器稱為正弦波鑒相器。2．環(huán)路濾波器環(huán)路濾波器的作用是將ud(t)中的高頻分量濾掉，得到控制電壓uc(t)，以保證環(huán)路所要求的性能。環(huán)路濾波器是低通濾波器，由線性元件電阻、電感和電容組成，有時還包括運算放大器在內(nèi)。常用的濾波器形式有RC積分濾波器、無源比例積分濾波器和有源比例積分濾波器，電路形式如圖6.1.3所示。鎖相環(huán)路通過環(huán)路濾波器的作用，具有窄帶濾波器特性。在一個好的設計中，這個窄帶濾波器的通帶能做得極窄。例如，在幾十兆赫的頻率范圍內(nèi)，實現(xiàn)幾十赫甚至幾赫的窄帶濾波，可以有效地將混進輸入信號中的噪聲和雜散干擾濾除掉。圖6.1.3三種常用的環(huán)路濾波器圖6.1.3（a）所示的一階RC低通濾波器的傳遞函數(shù)為輸出電壓uc(t)與輸入電壓ud(t)之比，即

（6.1.5）改為拉氏變換形式，用s代替j，得

（6.1.6）式中，

=RC為濾波器時間常數(shù)

圖6.1.3（b）所示的無源比例積分濾波器傳遞函數(shù)為

（6.1.7）式中，

在運算放大器的輸入電阻和開環(huán)增益趨于無窮大的條件下，圖6.1.3（c）所示的有源比例積分濾波器的傳遞函數(shù)為（6.1.8）式中，。3．壓控振蕩器（VCO）環(huán)路濾波器的輸出電壓uc(t)控制壓控振蕩器（VCO）的振蕩頻率，使振蕩頻率向輸入信號的頻率靠攏，直至兩者的頻率相同，使得VCO輸出信號的相位和輸入信號的相位保持某種關系，達到相位鎖定的目的。壓控振蕩器的振蕩電路中的壓控元件，一般采用的是變?nèi)荻O管。由環(huán)路濾波器送來的控制信號電壓uc(t)加在壓控振蕩器振蕩回路中的變?nèi)荻O管上，當uc(t)變化時，引起變?nèi)荻O管結電容的變化，從而使振蕩器的頻率發(fā)生變化。壓控振蕩器是一種電壓/頻率變換器，它在鎖相環(huán)路中起著電壓-相位變化的作用。在一定范圍內(nèi)，(t)與uc(t)之間為線性關系，可用下式表示，即

（6.1.9）式中，

o為壓控振蕩器的中心頻率；K是一個常數(shù)，其量綱為1/s·V或Hz/V。它表示單位控制電壓所引起的振蕩角頻率變化的大小。但在鎖相環(huán)路中，需要的是它的相位變化，即把由控制電壓所引起的相位變化作為輸出信號。由式（6.1.9）可求出瞬時相位o1為（6.1.10）所以由控制電壓所引起的相位變化，即壓控振蕩器的輸出信號為（6.1.11）由此可見，壓控振蕩器在環(huán)路中起了一次理想積分作用，因此壓控振蕩器是一個固有積分環(huán)節(jié)。VCO受環(huán)路濾波器輸出電壓uc(t)的控制，使振蕩頻率向輸入信號的頻率靠攏，直至兩者的頻率相同，使得VCO輸出信號的相位和輸入信號的相位保持某種特定的關系，從而達到相位鎖定的目的。4．鎖相環(huán)的基本工作過程鎖相環(huán)的基本工作過程如下：（1）設輸入信號ui(t)和本振信號（壓控振蕩器輸出信號）uo(t)分別是正弦和余弦信號，它們在鑒相器內(nèi)進行比較，鑒相器的輸出是一個與兩者間的相位差成比例的電壓ud(t)，一般把ud(t)稱為誤差電壓。（2）環(huán)路低通濾波器濾除鑒相器輸出中的高頻分量，然后把輸出電壓uc(t)加到VCO的輸入端，VCO的本振信號頻率隨著輸入電壓的變化而變化。如果二者頻率不一致，則鑒相器的輸出將產(chǎn)生低頻變化分量，并通過低通濾波器使VCO的頻率發(fā)生變化。只要環(huán)路設計恰當，則這種變化將使本振信號uo(t)的頻率與鑒相器輸入信號ui(t)的頻率一致。（3）最后，如果本振信號的頻率和輸入信號的頻率完全一致，兩者的相位差將保持某一恒定值，則鑒相器的輸出將是一個恒定直流電壓（忽略高頻分量），環(huán)路低通濾波器的輸出也是一個直流電壓，VCO的頻率將停止變化，這時，環(huán)路處于“鎖定狀態(tài)”。在鎖相環(huán)的工作過程中，環(huán)路存在鎖定、捕獲和跟蹤三個狀態(tài)。（1）當沒有輸入信號時，VCO以自由振蕩頻率o振蕩。如果環(huán)路有一個輸入信號ui(t)，開始時，輸入頻率總是不等于VCO的自由振蕩頻率，即io

。如果i和o相差不大，在適當范圍內(nèi)，鑒相器輸出一誤差電壓，經(jīng)環(huán)路濾波器變換后控制VCO的頻率，使其輸