顧名思義，鎖相環（PLL）使用鑒相器將反饋信號與參考信號進行比較，將兩個信號的相位鎖定在一起。雖然該特性仍有許多應用，但目前PLL最常用于頻率合成，通常用作頻率上/下變頻器中的本振（LO），或高速模數轉換器（ADC）或數模轉換器（DAC）的時鐘。

直到最近，很少有人關注這些電路中的相位行為。然而，隨著對效率、帶寬和性能的需求不斷增長，RF工程師必須設計新技術來提高頻譜和功率效率。信號相位的可重復性、可預測性和可調性在現代通信和儀器儀表應用中都發揮著越來越重要的作用。

一切都是相對的

除非相位測量相對于另一個信號或原始相位，否則提及相位測量是沒有意義的。例如，雙端口網絡的矢量網絡分析儀（VNA）（如放大器）的相位測量將輸出相位稱為輸入相位ANG（S21）。單個輸入的相位將反射相位指向入射相位ANG（S11）。在PLL頻率合成器上，相位測量以輸入參考相位或從一個信號到另一個信號為參考。與原始相位相比，任何相位測量的圣杯或理想狀態都是精確期望值，但非線性、非理想性、溫差和電路板走線以及其他制造差異意味著相位是信號生成中更多可變屬性之一。就本文而言，術語同相是指具有完全相同的幅度和定時特性的信號;確定性相位意味著它們之間的相位偏移是已知且可預測的。

示波器測量相位

為了比較兩個不同頻率的相位，高速示波器是比較輸出相位和參考相位的相對直觀的方法。為了可見，輸入和輸出相位通常必須是彼此的整數倍。這在許多時鐘電路中相對常見。對于整數 N 個 PLL，輸入頻率 （REF在）和輸出頻率（射頻）外） 通常是確定性和可重復的。只需在兩個REF上放置一個示波器探頭在和射頻外，但請注意僅在確定相位已穩定時才捕獲信號。復雜的示波器，如RTO1044，允許事件觸發僅在滿足某些條件時激活：例如，當特定的數字模式已寫入PLL器件并且存在已知信號的上升沿時。鑒于數字模式的寫入和最終信號的建立之間可能存在一些延遲，因此在兩個事件之間插入一些延遲至關重要，這對于這種特定型號的儀器來說是可能的。

圖1中的測量目標是驗證ADF4356 PLL相對于已知參考信號（在本例中為另一個編程為相同輸出頻率的ADF4356）的相位延遲是否恒定且在上電時可重復。為了正確設置儀器，將兩個低速探頭連接到ADF4356 SPI接口的CLK和數據線。一旦注意到寫入特定頻率的數字模式，儀器就會等待1秒，然后捕獲顯示兩個PLL輸出的時域圖。

圖1.整數 N 設置。

對于此測量，兩個ADF4356 PLL鎖定在4 GHz的VCO頻率下，并被8 MHz分頻至500 MHz，其中一個使用軟件省電功能反復關斷和打開。示波器在無限持久模式下進行了119次采集，兩者之間的相位差恒定且可重復。遵循了許多預防措施，以確保相位差是可重復的。低R分壓器值比高R分壓器值引入的不確定性更小，因此將VCO輸出的分頻反饋饋送到N計數器輸入至關重要。鑒于ADF4356 PLL和VCO包含1024個不同的VCO頻段，因此使用手動校準覆蓋程序消除這種不確定性非常重要。

相位再同步定義

相位再同步定義為小數N分頻PLL在每個給定頻率下返回到相同相位偏移的能力。也就是說，當將通道更改為頻率B時，用相位P1觀察頻率A，當頻率重新編程回F1時，觀察到相同的原始相位P1。該定義忽略了VCO漂移、漏電流、溫度變化等引起的變化。

再同步向小數N分頻Σ-Δ調制器發送復位脈沖，使其處于已知的可重復狀態。該復位脈沖需要在VCO頻段選擇和環路濾波器建立時間等頻率建立機制完成后施加。其值由寄存器 12 中的超時計數器控制。在最近的PLL上，調整此復位脈沖時序的能力使輸出信號具有一定程度的可調性，能夠以360°/2的步長改變其時序25，這比大多數儀器可以輕松測量的要多。

圖2.工作中的小數N分頻重新同步，編程范圍為4694 MHz至4002.5 MHz。

在本實驗中，兩個ADF4356 VCO均編程為4002.5 MHz并除以8。第二個PLL被編程為4694 MHz的VCO頻率，然后編程回4002.5 MHz。 使用示波器檢查PLL的行為，可以看出，在1700次頻率變化之后，PLL每次都穩定到相同的相位。

為了表征不同的相位偏移特征，相位字被編程為4194304/225，相當于 90°。對90°、180°、270°和0°的相似值進行了編程，并再次檢查示波器圖（圖3）。

圖3.具有可變偏移的相位重新同步。

相對于通道1上的原始信號，觀察到四個等間距的信號，確認了具有可編程偏移的相位重新同步的準確性。

此功能非常有用，這意味著可以為每個用戶頻率創建相位值查找表，并在每次使用時撥入相位值。在將四個LO頻率組合成相位的應用中，相位重新同步和失調功能用于調整輸出相位，使它們組合在一起，使相位噪聲降低6 dB。如果用作可調諧LO（可能在信號分析儀的第一級上），則重新同步和相位偏移功能允許用戶在上電時運行一次性校準，以確定每個LO的精確相位值。用作LO時，可以根據需要將相位值編程為每個LO，從而消除了在每個頻率下進行校準的過程。

圖4.需要精確控制PLL輸出相位的相位關鍵型應用。

對于網絡分析儀等相位關鍵型應用，電路可以在上電時測量每個頻率的相位值，然后在LO被掃描到目標范圍內時根據需要對其進行編程。

測量相位、矢量信號和網絡分析儀

矢量信號和網絡分析儀也可用于表征相位行為，盡管它們的用途僅限于將器件的相位與其初始值進行比較。復雜的分析儀，如FSWP，可以置于FM解調模式并選擇相位輸出。

這對于評估ADF4356 PLL上的相位重同步功能非常有用。下面的曲線（圖5）顯示ADF4356在5025 MHz輸出頻率下相位變化180°。

圖5.FSUP FM 解調器輸出，用于 180° 相位偏移。

相位調整

相位調整功能可避免重置Σ-Δ調制器，只需在現有相位上添加一個介于0°至360°之間的相位字。這在不需要復位相位的應用中很有用。它可用于動態調整相位字，以補償由于溫度等影響引起的已知相位差異。

相位調整在每次更新R0時將相位添加到現有信號中（該值編程為寄存器3）。它不包含像相位再同步那樣的復位脈沖。下面的FSWP測量結果顯示，原始信號增加了90°（圖6）和270°（圖7）。在這兩種情況下，ADF4356的輸出頻率在改變相位之前都設置為5025 MHz。

圖6.90°變化。

圖7.270°變化。

溫度范圍內的行為

由于電感器的物理參數隨溫度而變化，因此電氣特性也隨溫度變化而變化，表現為相位變化。為了減輕這種相變，用戶可以在所需的相位偏移中編程以保持相同的相位。兩個編程為4 GHz輸出頻率的ADF4356 PLL放置在同一相的同一烘箱室中，彼此密切跟蹤相位（圖2），因此這證明用戶可以根據溫度調整相位。

圖8.ADF4356溫度范圍內的相位漂移，在4 GHz VCO頻率下測量。

5G

波束成形是一種對 5G 網絡架構至關重要的技術。在這些網絡中，使用多個天線陣列元件在每個元件上具有不同的相位和幅度，以將天線能量直接引導到最終用戶。對于此應用，相位重復性至關重要。LO相位需要可重復用于波束成形，如果相位不確定，則需要通過波束成形電路進行額外校準。

圖9顯示了兩個半晶片波長，相隔四分之一波長并同相驅動。天線輻射方向圖幾乎是全向的，沒有觀察到波束成形。圖10顯示了由信號驅動的兩個元件，相位90°，由此產生的輻射圖顯示了輻射圖如何更加聚焦。隨著元件陣列數量的增加，這允許對最終用戶的輻射圖具有更高的精度，從而提高光譜效率。

圖9.無波束成形。

圖 10.波束成形。

相位再同步功能可確保消除LO相位特性中的不確定性。此外，調整此相位的能力為用戶提供了一個額外的杠桿，以克服電路中難以通過波束形成器或基帶電路調整的任何其他相位延遲。

結論

相位再同步將ADF4356和類似的PLL器件置于已知相位，這支持許多應用，并大大簡化了校準程序。

審核編輯：郭婷