锁相回路原理、组件与电路架构

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1、锁相回路原理、组件与电路架构锁相的观念在1930年代发明后，很快地被广泛运用在电子和通讯领域中，包含了内存、微处理器、硬盘驱动装置等。高性能的集成电路也被广泛地运用在高频无线通讯及光纤通讯中，但此也意味着在同一个系统芯片内，所要面对接口电路和同步的问题也相对复杂。近十年来，集成电路不论是在芯片最高操作速度或是每颗芯片所整合之功能正以等比级数的速度成长。而高性能的集成电路也被广泛地运用在高频无线通讯及光纤通讯中。并行计算机，高解析图形处理及网络骨干等应用也都得利于近年来集成电路朝向便宜、密度高以及易使用趋势。使这些应用不再是遥不

2、可及的梦想。但此也意味着在同一个系统芯片内，所要面对接口电路和同步的问题也相对复杂。锁相的观念在1930年代发明后，很快地被广泛运用在电子和通讯领中，这些包含了内存、微处器、硬盘驱动装置、射频无线收发器和光纤收发器中。而单芯片锁相回路（PLL）更有助于发展高性能和低成本的电子系统。虽然在不同制程和应用中锁相回路的设计有相当的差异，但是它的基本观念从那时发明后几乎没有改变过。锁相回路可视为一个输出相位和输入相位的回授系统。用以同步输入参考讯号和回授后输出信号。并让其操作同样的频率。如(图一)所示，简单锁相回路[3,4]是由三个电

3、路构成，分别为相位侦测器（PhaseDetector）、回路滤波器（LoopFilter）、压控掁荡器（VCO）。整个回授机制会藉由比较压控掁荡器及参考讯号之间相位来改变压控掁荡器的相位，最后使得这两个讯号保持固定相位关系。而所谓的“锁相”就是两个相位之关系经由锁相回路达到固定的关系而不会随时间改变。因此，相位是频率对时间所积分而来，当回路锁定时，锁相回路会产生一个相对于输入之小相位误差的输出，但其频率是相同的。而如果这两个条件有任一个不成立，锁相回路则处在没有锁定状态。总结来说，锁相回路它将相位侦测器所得到的结果，经由回路滤

4、波器转换成电压形式的讯号去控制压控振荡器相位。达到锁定状态时，输入和输出的频率是完全相同的。　　(图一)　简单锁相回路示意图电荷帮浦式锁相回路虽然第一类锁相回路已被广泛运用在数字形式中，它们的缺点常阻碍了它在高效能集成电路中的使用，其中最大的问题就是受限的获得（acquisition）范围。假设一个锁相回路在开启时，其掁荡器输出之频率和参考频相差甚多时，回路由未锁定状态到锁定状态是一个非常不线性的状况，因为相位侦测器（PhaseDetector）并不能判断不相等频率的两讯号。锁定的问题，使得上述之第一类锁相回路之间交互限制更加

5、紧缩。如果减少滤波器之频宽来抑制控制电压上的扰动，但会使得获得（acquisition）范围减少。而在今日大部分的应用中，因为掁荡器的中心频率会随着制程和温度变化，所以锁相回路通常需要一宽范围的获得（acquisition）范围。电荷帮浦式锁相回路[5,6]可以很容易和结合辅助频率电路来增加频率锁定范围。它结和频率相位侦测器更广泛被使用在今日大部分的应用中。电荷帮浦式锁相回路，如(图二)所示。原先在图一的相位侦测器被频率相位侦测及电荷帮浦取代。电荷帮浦的作用是将频率相位侦测器的状态转换成一个模拟的输出讯号去控制掁荡器。其中这四

6、个电路主要功能如下：●频率相位侦器通常为一数字电路，其输出为逻辑准位(U/D)讯号。●电荷帮浦用以转换逻辑准位(U/D)讯号为一电流讯号(Ip)。●低通滤波器转换器将电荷帮浦所产生电流讯号(Ip)转换成一模拟电压讯号(VC)。此讯号也是锁相回路所谓的控制电压。它对整个回路的性能影响最大。●掁荡器产生一输出讯号，其频率受控制电压(Vc)所控制。　(图二)　电荷帮浦式锁相回路示意图频率相位侦测器频率相位侦器是一数字电路，它通常是由输入参考讯号(R)和掁荡器回授讯号(V)的上升缘所驱动。如(图三)所示，频率相位侦器输出讯号U和D可能

7、会组成三个状态。其中U和D同时为逻辑一的情形并不会发生。考虑讯号V上升缘发生时，会有三个事件可能会发生。●频率相位侦器会由状态三转到状态二。而使D讯号为逻辑零。●频率相位侦器会由状态二转到状态一。而使U讯号为逻辑一。●频率相位侦器保持相同的状态。这时表示U已经动作了。同样的方法，考虑讯号U上升缘发生时，会有三个事件可能会发生。●频率相位侦器会由状态一转到状态二，而使U讯号为逻辑零。●频率相位侦器会由状态二转到状态三。而使D讯号为逻辑一。●频率相位侦器保持相同的状态。这时表示D已经动作了。如果U和D是分别用以增加和减少振荡器回授

8、讯号(V)的频率，这个频率相位侦测器就可以产生正确讯号来平衡两个输入讯号之频率差。(图四)为基本频率相位侦测器电路图。　(图三)　频率相位侦测器状态图(图四)　基本频率相位侦测器电荷帮浦电荷帮浦是由两个相互匹配电流源组成，每一个电流源值为一固定值(Ip)，如(图五)所示。电流