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無(wú)線(xiàn)電系統會(huì )因為各種各樣的原因而采用基于鎖相環(huán)（PLL）技術(shù)的頻率合成器。PLL的好處包括： （1）易于集成到IC中。 （2）無(wú)線(xiàn)信道間隔中的靈活性。 （3）可獲得高性能。 （4）頻率合成器外形尺寸較小。 本文向讀者介紹PLL應用中頗具價(jià)值的注意事項和使用技巧。 PLL概述 簡(jiǎn)單的PLL由頻率基準、相位檢波器、電荷泵、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器（VCO）組成�；赑LL技術(shù)的頻率合成器將增加兩個(gè)分頻器：一個(gè)用于降低基準頻率，另一個(gè)則用于對VCO進(jìn)行分頻。而且，將相位檢波器和電荷泵組合在一個(gè)功能塊中也很容易，以便進(jìn)行分析（見(jiàn)圖1）。簡(jiǎn)單的PLL上所增設的這些數字分頻器電路實(shí)現了工作頻率的輕松調節。處理器將簡(jiǎn)單地把一個(gè)新的分頻值“寫(xiě)入”到位于PLL中的寄存器中，更新VCO的工作頻率，并由此改變無(wú)線(xiàn)設備的工作信道。 PLL工作原理 PLL是作為閉環(huán)控制系統工作，用于比較基準信號與VCO的相位。增設基準和反饋分頻器的頻率合成器負責比較兩個(gè)由分頻器的設定值調節相位。該相位比較在相位檢波器中完成，在大多數系統中，這種相位檢波器是一個(gè)相位和頻率檢波器。該相位-頻率檢波器生成一個(gè)誤差電壓，此誤差電壓在±2π的相位誤差范圍內近似為線(xiàn)性，并在誤差大于±2π的情況下保持恒定。相位-頻率比較器所采用的這種雙模式操作可生成針對大頻率誤差（比如，當PLL在上電期間起動(dòng)時(shí)）的較快的PLL鎖定時(shí)間，并避免被鎖定于諧波之上。 ---VCO利用調諧電壓生成一個(gè)頻率。VCO可以是模塊、IC，也可由分立元件來(lái)制成。圖2示出了一個(gè)位于MAX2361發(fā)送器IC內部的、采用有源元件制作的VCO。諧振回路和變容二極管是外置的，使得設計工程師能夠對IF（中頻）LO（本機振蕩器）進(jìn)行獨特的規定，以便對特定的無(wú)線(xiàn)電頻率方案提供支持。 環(huán)路濾波器對由相位-頻率檢波器的電荷泵所產(chǎn)生的電流脈沖進(jìn)行積分，以生成施加于VCO的調諧電壓。傳統的做法是使來(lái)自環(huán)路濾波器的調諧電壓升高（變?yōu)楦蟮恼担�，以使VCO的相位超前并提高VCO的頻率。環(huán)路濾波器可以采用諸如電阻器和電容器等無(wú)源元件來(lái)實(shí)現，也可采用一個(gè)運算放大器。環(huán)路濾波器的時(shí)間常數以及VCO、相位檢波器和分頻器的增益將設定PLL帶寬。PLL帶寬決定了瞬態(tài)響應、基準寄生電平和噪聲濾波特性。在PLL帶寬之內，頻率合成器輸出端上的相位噪聲主要是相位檢波器相位噪聲；而在PLL帶寬之外，輸出相位噪聲則主要源自VCO相位噪聲。 頻率合成器PLL基準輸入是一個(gè)穩定、無(wú)干擾的恒定頻率信號。在大多數無(wú)線(xiàn)電設備中都采用了某種形式的晶體振蕩器，原因是其相位噪聲非常低，而且其頻率穩定并進(jìn)行了精確的規定。PLL將對該基準進(jìn)行分頻，以提供一個(gè)用于相位-頻率檢波器的較低頻率。這一較低的頻率將設定用于檢波器的比較率，并通過(guò)使反饋分頻器設定值以“1”的幅度遞增的方法來(lái)設立可行的最小頻率步進(jìn)。這變成了合成器的頻率分辨率（即頻率步長(cháng)），它應該等于或小于正在設計之中的無(wú)線(xiàn)電系統的信道間隔。利用由反饋分頻器按比例縮小的VCO的輸出，相位檢波器和環(huán)路濾波器生成了一個(gè)調諧電壓�；谏鲜稣f(shuō)明，VCO的工作頻率為： 例如，若基準頻率為20MHz，且基準分頻器值為2000，則一個(gè)88103的反饋分頻器設定值將產(chǎn)生一個(gè)如下的VCO頻率： (20MHz/2000)×88103=881.03 MHz 由于比較頻率為10kHz，因此，使反饋分頻器設定值增加1（即變?yōu)?8104）將產(chǎn)生一個(gè)數值為881.04MHz的VCO頻率。 該頻率合成器將基準頻率倍頻至UHF波段。采用這種PLL倍頻法會(huì )引發(fā)一個(gè)不良的后果，即環(huán)路帶寬內的相位噪聲有所增加。在環(huán)路帶寬內，PLL噪聲層的增幅為20log(N)。在上文所述的場(chǎng)合中，相位噪聲將增加20log(88103) = 98.89dB！這就是基準振蕩器必須非常干凈的原因。環(huán)路的動(dòng)作將使噪聲層增加100dB左右，所以，如果想獲得滿(mǎn)足當今無(wú)線(xiàn)電通信需要的足夠輸出質(zhì)量，就必須采用高Q值晶體振蕩器。 使PLL正常運作 VCO部分 因為VCO由PLL頻率合成器來(lái)生成信號輸出，所以PLL的絕大部分性能都是由它決定的。如果VCO未能正確地運作，則許多性能參數都將受到影響。在調試階段的初期應對VCO進(jìn)行測試，以確保其提供預定的頻率范圍、增益和輸出電平。如果只是想測試VCO，則需對PLL進(jìn)行修正，以取消閉環(huán)控制�！皵嚅_(kāi)”環(huán)路的一種常用方法是使R3開(kāi)路（見(jiàn)圖2），并在C4的兩端施加一個(gè)實(shí)驗室電源，這樣就使得VCO調諧電壓能夠在期望的范圍內改變。當調諧電壓改變時(shí)，應在一個(gè)頻率計數器（或頻譜分析儀）上監視VCO的工作頻率。記錄若干調諧電壓設定值條件下的VCO工作頻率。 ● VCO是否位于正確的頻率上？ 利用由上述的簡(jiǎn)單測試所獲得的數據，您將可以對VCO能否工作于期望的頻率之上做出快速評估。如果VCO產(chǎn)生一個(gè)位于183MHz頻率之上IF LO（中頻本機振蕩器），而測試中所記錄的最低頻率為187MHz，則PLL將無(wú)法進(jìn)行正確的相位鎖定。為了對該條件進(jìn)行校正，應核實(shí)VCO振蕩回路中的所有諧振元件均具有所需的參數值。例如，若諧振電路電感器L1（見(jiàn)圖2）過(guò)小，則諧振頻率將被提升。 應始終牢記用于描述一個(gè)簡(jiǎn)單的LC諧振電路的諧振頻率的方程式： Fres為諧振頻率（單位：Hz）。 L為電感值（單位：H）。 C為電容值（單位：F）。 ● 是否安裝了正確的元器件？ ---電抗元件的尺寸非常之小，以致于無(wú)法印上可見(jiàn)標簽。這就意味著(zhù)VCO當中的元件的最為容易的測試方法是采用已知數值的元件來(lái)進(jìn)行替換。由于第一塊電路板的組裝可能是手工完成的，因此很有可能在PCB上焊接了參數值不正確的元件�？筛鶕枰獊�(lái)替換振蕩回路中的元件，以使VCO頻率接近期望的工作點(diǎn)。 ---您可以按照表1所述對VCO進(jìn)行校正，但PLL仍然有可能出現問(wèn)題。如果VCO的調諧增益與計算環(huán)路濾波元件參數值時(shí)所采用的數值相差較大，則環(huán)路有可能發(fā)生振蕩。在圖3中，應注意的是由原型設計所獲得的實(shí)驗室數據繪制的曲線(xiàn)的斜率。反饋環(huán)路穩定性的獲得要求環(huán)路增益位于特定的范圍內。如果VCO處于正確的頻率之上但增益誤差較大，則環(huán)路本身將發(fā)生振蕩并導致VCO在眾多的頻率上被調制。在開(kāi)環(huán)條件下使用您的VCO數據，以驗證環(huán)路增益接近您的設計目標值。如果VCO的調諧增益過(guò)高，則變容二極管將被過(guò)于緊密地耦合至諧振電路。應確認安裝了正確的變容二極管。將變容二極管耦合至振蕩回路的電容器（圖2中的C2和C3）可能數值過(guò)大。反過(guò)來(lái)，如果VCO調諧增益較低，則或許需要增大C2和C3的數值。 分頻器 ● 分頻器能否在期望的頻率上工作？ PLL設計往往會(huì )忽視數字分頻器的規格。分頻器的工作狀況一般是良好的，但由于不能始終保持這種良好的工作狀態(tài)，因此PLL有時(shí)無(wú)法獲得預期的工作性能。所有的分頻器都具有針對最大輸入頻率（FMAX）和最小輸入電平的規格。在一個(gè)忽視了FMAX規格的設計中，分頻器將“丟失脈沖”。閉環(huán)隨后將檢測出VCO的頻率過(guò)低并使調諧電壓進(jìn)一步走高。分頻器將丟失更多的脈沖，而且，環(huán)路將試圖把VCO提升至一個(gè)更高的頻率上。環(huán)路將進(jìn)入一個(gè)“閉鎖”狀態(tài)，此時(shí)，VCO調諧電壓被保持在正電源電壓上。這里，在工作上容易使人產(chǎn)生誤解的問(wèn)題是反饋分頻器不僅必須對VCO的預期輸出進(jìn)行分頻，而且還必須對VCO在鎖定和解鎖條件下有可能產(chǎn)生的最高頻率進(jìn)行正確的分頻。為了使環(huán)路可靠地運行，在啟動(dòng)或信道變更時(shí)所遇到的瞬變條件不得引發(fā)反饋極性反轉。 ● VCO的幅度是否足以驅動(dòng)分頻器？ 反饋分頻器的運作也有一個(gè)最小信號幅度要求。應確保到達分頻器的VCO信號電平在VCO的整個(gè)頻率范圍內都遠遠高于數據表所給出的最小值。當信號電平過(guò)低時(shí)，分頻器通常將丟失脈沖，從而使得PLL無(wú)法獲得穩定的穩態(tài)操作。 ● 是否采用了正確的數值對分頻器進(jìn)行編程？ 如果分頻器控制寄存器被裝入了錯誤的數值，則PLL將不會(huì )產(chǎn)生正確的頻率。在許多接收機嵌入型PLL（尤其是那些采用正交發(fā)生電路的應用）中常見(jiàn)的固定一比二分頻器往往會(huì )被忽視。最后，由于串行總線(xiàn)上的故障數據傳輸的緣故，PLL控制寄存器有可能被裝入錯誤數據。設置于串行總線(xiàn)線(xiàn)路之上、用于對噪聲和干擾控制提供幫助的RC網(wǎng)絡(luò )有可能導致不正確的數據傳輸。需要采用一個(gè)示波器來(lái)確認總線(xiàn)定時(shí)要求得到滿(mǎn)足，而且被提供至PLL IC引腳的數據是有效的。 環(huán)路濾波器 環(huán)路濾波器用于設定PLL的帶寬、瞬態(tài)響應，并對噪聲頻譜進(jìn)行整形。 ● 環(huán)路濾波器中是否安裝了正確的元件？ 如果安裝了錯誤的元器件，帶寬就有可能過(guò)寬，從而導致在PLL輸出端上產(chǎn)生基準頻率寄生邊帶。帶寬也有可能過(guò)窄，造成VCO相位噪聲充斥輸出頻譜且穩定時(shí)間過(guò)長(cháng)。如果阻尼因數過(guò)低，則環(huán)路將發(fā)生振蕩。極化濾波電容器具有很高的漏電流，因而會(huì )導致環(huán)路持續地采用大電荷泵脈沖來(lái)進(jìn)行校正。這種持續的校正操作將使得基準頻率寄生邊帶比預想的要大。應安裝低漏電電容器（陶瓷、云母、聚合物薄膜電容器）來(lái)改善此性能。 ● 有源濾波器中的運算放大器是否處于飽和狀態(tài)？ 不帶片上電荷泵的PLL將具有用于控制“升壓、降壓”條件的相位檢波器輸出。這些PLL常常采用一個(gè)有源環(huán)路濾波器。在采用有源環(huán)路濾波器的場(chǎng)合，運算放大器的輸入級有可能在每個(gè)來(lái)自相位-頻率檢波器的校正脈沖上發(fā)生飽和。由于并未對退出這種飽和狀態(tài)做出精確的規定或控制，因此，環(huán)路動(dòng)態(tài)性能將無(wú)法達到設計指標。解決方案是“分離”運算放大器的輸入電阻器，并在響應中設置一個(gè)極點(diǎn)。這將防止快速脈沖邊沿到達運算放大器輸入端，從而避免發(fā)生脈沖式的飽和現象。必須檢查該附加極點(diǎn)對環(huán)路穩定性的影響，因為它將減少設計的相位余量。 同樣，有些運算放大器輸入級也會(huì )在上電條件下“改變極性”，從而導致環(huán)路因為過(guò)量的正反饋而發(fā)生飽和。這里，解決方案是選擇一個(gè)不受上電瞬變條件干擾的運算放大器。 相位-頻率檢波器和電荷泵 相位-頻率檢波器和電荷泵通常是與其他PLL電路集成在一起的，因此，如果它們設計得過(guò)于嚴格的話(huà)，則幾乎沒(méi)有應付困難情形的余地。所以我們不得不期待著(zhù)留有一些容錯空間。 大多數IC中的相位-頻率檢波器其操作的某些方式都是由寄存器值來(lái)設置的。檢波器的極性可在軟件控制下進(jìn)行設定，而且，電荷泵電流的大小可以具有多個(gè)用戶(hù)定義值。 ● 相位檢波器的極性設定正確嗎？ 相位檢波器控制允許PLL IC在VCO增益為正值或負值的情況下運行，或對一個(gè)有源環(huán)路濾波器中的信號反相進(jìn)行補償。應確認相位檢波器的極性是正確的，以使其能夠與指定的VCO和環(huán)路濾波器一道運作。如果采用以地電位或電源軌為基準的控制電壓來(lái)使環(huán)路閉鎖，則執行一個(gè)簡(jiǎn)單的位反轉或許就是使PLL運行所需完成的全部工作。 ● 電荷泵電流是否為期望值？ 電荷泵同樣（常常）也是由用戶(hù)來(lái)控制的。這樣很方便，因為它允許頻率合成器在一個(gè)很寬的調諧范圍內操作，并可在所關(guān)心的頻帶內對PLL的增益變化進(jìn)行校正。如此可在低、中以及高VCO頻率條件下獲得相似的環(huán)路動(dòng)態(tài)性能和噪聲特性。如果當頻率合成器在其頻帶內進(jìn)行調諧時(shí)電荷泵電流未被改變，則噪聲邊帶和調諧時(shí)間均會(huì )發(fā)生變化。如果在一個(gè)工作性能良好的PLL中出現上述任何一種癥狀，則表明電荷泵電流可能設定得過(guò)低、過(guò)高，或正在進(jìn)行與應用不相適合的改變。 印刷電路板 PLL通常需要考慮的最后一個(gè)方面便是印刷電路板（PCB）的影響。正如許多RF工程師所熟知的那樣，PCB是系統至關(guān)重要的一個(gè)部分，因此正確的設計準則是必須遵循的。通常，需在濾波器區域采用正確的凈化處理工藝清除污染物，改善PLL性能。還須注意： ● VCO調諧線(xiàn)路是否采取了屏蔽措施？ 調諧電壓非常微小的變化也會(huì )使一個(gè)高增益VCO產(chǎn)生很大的頻率偏移。VCO調諧線(xiàn)路具有高阻抗，而且，噪聲會(huì )很容易地耦合至線(xiàn)路上并對VCO進(jìn)行調制。數字信號走線(xiàn)不得布設在VCO調諧線(xiàn)路的附近。經(jīng)驗豐富的工程師將會(huì )避免在VCO調諧線(xiàn)路的近旁排布任何信號走線(xiàn)，其目的就是要防止頻率合成器的性能受到任何的影響。對于這種噪聲耦合，PLL的作用的確略有幫助；環(huán)路帶寬內的低頻噪聲可由環(huán)路的過(guò)量增益來(lái)予以校正。 ● VCO是否被屏蔽？ VCO的作用相當于一個(gè)具有增益的窄帶帶通濾波器。任何具有靠近VCO諧振點(diǎn)的頻率內容的噪聲都會(huì )很容易地被耦合至VCO并對其進(jìn)行調制。如果VCO在一個(gè)“穩固的”晶體振蕩器的某個(gè)諧波上進(jìn)行調諧，則可以預料，當諧波能量被耦合至VCO振蕩回路中時(shí)就會(huì )產(chǎn)生寄生輸出。 結論 通過(guò)對PLL各個(gè)部分的了解和評估，設計工程師能夠迅速地使頻率合成器開(kāi)始運行。借助本文所提供的技術(shù)和信息，即可對頻率合成器進(jìn)行快速調試，并隨時(shí)對無(wú)線(xiàn)電系統進(jìn)行詳細的性能評估。 |
