經典鎖相環結構小結

頻率合成器一般分為直接合成模擬式頻率合成器、鎖相環頻率合成器、直接數字頻率合成器(DDS)。其中鎖相環頻率合成器按照實現技術分為模擬PLL、數字PLL(ADPLL)、數模混合PLL。

這篇文章中主要講的就是比較常用的數模混合PLL(以下簡稱PLL)的兩種經典結構。

主要構成

PLL一般由PD（PFD）、LPF、VCO、分頻器等組成。

核心器件之鑒相器

模擬鑒相器就是一個乘法器，通常由Gilbert乘法器單元構成，由于當兩信號相位差為時，鑒相器的增益最大，又稱為正交型鑒頻器，同時環路的相位誤差等于兩信號的相位差減去。當某一個輸出信號為方波或者由于輸入信號幅度很大類似方波時，需要對VCO的頻率范圍進行限制，防止環路鎖定到高階諧波頻率上，鑒相范圍為。

數字鑒相器主要為異或型鑒相器、時序型鑒相器、以及可鑒頻又可鑒相的鑒頻鑒相器PFD。

1. 異或型鑒相器由數字異或門構成，穩定狀態類似模擬鑒相器，相位差為時，鑒相器經過低通濾波器的輸出為0，環路相位誤差為0。也要注意鎖定到高階諧波頻率上，鑒相范圍為。
2. 時序型鑒相器可由JK觸發器構成，一般鑒相范圍為2,環路鎖定時兩信號的相位差為0，穩定平衡點和不穩定平衡點的鑒相器增益差距較大，與異或型鑒相器相比，鎖定時間減小，但因為是邊沿觸發，需要保證J、K兩端的邊沿響應速度相同。
3. 鑒頻鑒相器可以理解為在鑒相器的基礎上加一個鑒頻器，目的是在兩信號頻率差較大時，能夠鎖定，且減小鎖定時間，同時由于有鑒頻器的反饋作用，對于鑒頻鑒相器來說沒有捕獲范圍的限制，鑒相范圍為4。

經典結構之I型鎖相環

下圖所示的PLL是一個二階I型鎖相環。“二階”是因為低通濾波器為一階，Ⅰ型是因為環路增益在原點處有一個極點。

鎖定過程

兩輸入之間相位不同時，鑒頻器會輸出與相位差正比的寬脈沖，經過低通濾波器后，變為控制VCO振蕩頻率的控制信號，改變振蕩器的頻率，再反饋與鑒相器，在各個參數合適的情況下，最終使得輸出相位差減小為一穩態值，兩輸入信號的頻率相等。

主要問題

I型鎖相環需要在阻尼系數，低通濾波器帶寬與相位誤差之間進行折衷，或者說系統鎖定時間、系統穩定度、相位誤差、控制電壓的紋波之間需要折衷，而且這種類型的鎖相環只有和的差值比略小時才能鎖定。

經典結構之II型鎖相環

上圖所示為三階II型鎖相環，由于鑒相器改為鑒頻鑒相器，又可稱為電荷泵鎖相環（CPPLL）。同理，“三階”是因為低通濾波器為二階，II型是因為環路增益在原點處有兩個極點。

鎖定過程

兩輸入之間相位不同時，鑒頻鑒相器、電荷泵和低通濾波器會產生和相位差、頻率差，正比的控制信號，改變VCO振蕩頻率，再反饋回去，在各個參數合適的情況下，由于鑒頻鑒相器中鑒頻作用，使得鎖定時間減小且捕獲范圍增大，同時又因為電荷泵直流增益較大，使得鎖定時，相位差趨于0，兩輸入頻率也相等。

與I型鎖相環的差異點

1. 環路增益在原點處有兩極點，容易導致系統的不穩定，低通濾波器設計需要更加注意
2. 環路的直流增益較大，相位差趨于0,且相位和頻率不會有太大的漂移；
3. PFD/CP/LPF在原點有一極點，而I型鎖相環的PD/LPF沒有。

主要問題

1. 鑒頻鑒相器有死區，需要額外電路的設計處理；
2. 電荷泵不夠理想,帶來雜散；比如電荷泵的上脈沖和下脈沖延遲時間不一樣、電流源和電流沉不一樣，開關管的時間饋通和電荷注入不匹配等。