【導(dǎo)讀】鎖相環(huán)（PLL）是一種反饋系統(tǒng)，其中電壓控制振蕩器（VCO）和相位比較器相互連接，使得振蕩器可以相對(duì)于參考信號(hào)維持恒定的相位角度。在使用PLL的過程中您都遇到過哪些問題呢？咱們工程師整理了PLL芯片接口方面最常見的11個(gè)問題，這里分享給大家！
鎖相環(huán)（PLL）是一種反饋系統(tǒng)，其中電壓控制振蕩器（VCO）和相位比較器相互連接，使得振蕩器可以相對(duì)于參考信號(hào)維持恒定的相位角度。在使用PLL的過程中您都遇到過哪些問題呢？咱們工程師整理了PLL芯片接口方面最常見的11個(gè)問題，這里分享給大家！
1. 參考晶振有哪些要求？該如何選擇參考源？
波形： 可以使正弦波，也可以為方波。
功率： 滿足參考輸入靈敏度的要求。
穩(wěn)定性： 通常用 TCXO，穩(wěn)定性要求< 2 ppm。這里給出幾種參考的穩(wěn)定性指標(biāo)和相位噪聲指標(biāo)。
頻率范圍： ADI 提供的 PLL 產(chǎn)品也可以工作在低于最小的參考輸入頻率下，條件是輸入信號(hào)的轉(zhuǎn)換速率要滿足給定的要求。
建議
在PLL 頻率綜合器的設(shè)計(jì)中，我們推薦使用溫度補(bǔ)償型晶振（TCXO）。在需要微調(diào)參考的情況下使用 VCXO，需要注意 VCXO 靈敏度比較小，比如 100Hz/V，所以設(shè)計(jì)環(huán)路濾波器的帶寬不能很大（比如 200Hz），否則構(gòu)成濾波器的電容將會(huì)很大，而電阻會(huì)很小。普通有源晶振，由于其溫度穩(wěn)定性差，在高精度的頻率設(shè)計(jì)中不推薦使用。
2. 能詳細(xì)解釋下控制時(shí)序、電平及要求嗎？
ADI 的所有鎖相環(huán)產(chǎn)品控制接口均為三線串行控制接口，如圖 1所示。要注意的是：在 ADI 的PLL 產(chǎn)品中，大多數(shù)的時(shí)序圖如圖 1中上面的圖所示，該圖是錯(cuò)誤的，正確的時(shí)序圖如圖 1中下面的圖所示，LE 的上升沿應(yīng)跟 Clock 的上升沿對(duì)齊，而非 Clock 的下降沿。
圖 1. PLL 頻率合成器的串行控制接口（3 Wire Serial Interface）
控制接口由時(shí)鐘 CLOCK，數(shù)據(jù) DATA，加載使能 LE 構(gòu)成。加載使能 LE 的下降沿提供起始串行數(shù)據(jù)的同步。串行數(shù)據(jù)先移位到 PLL 頻率合成器的移位寄存器中，然后在 LE 的上升沿更新內(nèi)部相應(yīng)寄存器。注意到時(shí)序圖中有兩種 LE 的控制方法。
SPI 控制接口為 3V/3.3V CMOS 電平。另外，需要注意的是對(duì) PLL 芯片的寄存器進(jìn)行寫操作時(shí)，需要按照一定的次序來寫，具體請(qǐng)參照芯片資料中的描述。特別地，在對(duì) ADF4360 的寄存器進(jìn)行操作時(shí)，注意在寫控制寄存器和 N計(jì)數(shù)器間要有一定的延時(shí)。
控制信號(hào)的產(chǎn)生，可以用 MCU，DSP，或者 FPGA。產(chǎn)生的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)一定要干凈，過沖小。當(dāng)用 FPGA 產(chǎn)生時(shí)，要避免競爭和冒險(xiǎn)現(xiàn)象，防止產(chǎn)生毛刺。如果毛刺無法避免，可以在數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線上并聯(lián)一個(gè) 10~47pF 的電容，來吸收這些毛刺。
3. 控制多片 PLL 芯片時(shí)，串行控制線是否可以復(fù)用？
一般地，控制 PLL 的信號(hào)包括：CE，LE，CLK，DATA。CLK 和 DATA 信號(hào)可以共用，即占用2 個(gè) MCU 的 IO 口，用 LE 信號(hào)來控制對(duì)哪個(gè) PLL 芯片進(jìn)行操作。多個(gè) LE 信號(hào)也可以共用一個(gè)MCU 的 IO 口，這時(shí)需要用 CE 信號(hào)對(duì)芯片進(jìn)行上電和下電的控制。
4. 可否簡要介紹環(huán)路濾波器參數(shù)的設(shè)置？
ADIsimPLL V3.3 使應(yīng)用工程師從繁雜的數(shù)學(xué)計(jì)算中解脫出來。我們只要輸入設(shè)置環(huán)路濾波器的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，ADIsimPLL 就可以自動(dòng)計(jì)算出我們所需要的濾波器元器件的數(shù)值。這些參數(shù)包括，鑒相頻率 PFD，電荷泵電流 Icp，環(huán)路帶寬 BW，相位裕度，VCO 控制靈敏度 Kv，濾波器的形式（有源還是無源，階數(shù)）。計(jì)算出的結(jié)果往往不是我們?cè)谑忻嫔夏軌蛸I到的元器件數(shù)值，只要選擇一個(gè)最接近元器件的就可以。
●通常環(huán)路的帶寬設(shè)置為鑒相頻率的 1/10 或者 1/20。
●相位裕度設(shè)置為 45 度。
●濾波器優(yōu)先選擇無源濾波器。
濾波器開環(huán)增益和閉環(huán)增益以及相位噪聲圖之間的關(guān)系。閉環(huán)增益的轉(zhuǎn)折頻率就是環(huán)路帶寬。相位噪聲圖上，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)于相位噪聲曲線的轉(zhuǎn)折頻率。如果設(shè)計(jì)的鎖相環(huán)噪聲太大，就會(huì)出現(xiàn)頻譜分析儀上看到的轉(zhuǎn)折頻率大于所設(shè)定的環(huán)路帶寬。
5. 環(huán)路濾波器采用有源濾波器還是無源濾波器？
有源濾波器因?yàn)椴捎梅糯笃鞫朐肼?，所以采用有源濾波器的 PLL 產(chǎn)生的頻率的相位噪聲性能會(huì)比采用無源濾波器的 PLL 輸出差。因此在設(shè)計(jì)中我們盡量選用無源濾波器。其中三階無源濾波器是最常用的一種結(jié)構(gòu)。PLL 頻率合成器的電荷泵電壓 Vp 一般取 5V 或者稍高，電荷泵電流通過環(huán)路濾波器積分后的最大控制電壓低于 Vp 或者接近 Vp。
如果VCO/VCXO 的控制電壓在此范圍之內(nèi)，無源濾波器完全能夠勝任；如果VCO/VCXO 的控制電壓超出了 Vp，或者非常接近 Vp 的時(shí)候，就需要用有源濾波器。在對(duì)環(huán)路誤差信號(hào)進(jìn)行濾波的同時(shí)，也提供一定的增益，從而調(diào)整VCO/VCXO控制電壓到合適的范圍。
那么如何選擇有源濾波器的放大器呢？這類應(yīng)用主要關(guān)心一下的技術(shù)指標(biāo)：
●低失調(diào)電壓（Low Offset Voltage） [通常小于 500uV]
●低偏流（Low Bias Current） [通常小于 50pA]
如果是單電源供電，需要考慮使用軌到軌（Rail-to-Rail）輸出型放大器。
6PLL 對(duì)于 VCO 有什么要求？如何設(shè)計(jì) VCO 輸出功率分配器？
選擇 VCO 時(shí)，盡量選擇 VCO 的輸出頻率對(duì)應(yīng)的控制電壓在可用調(diào)諧電壓范圍的中點(diǎn)。選用低控制電壓的 VCO 可以簡化 PLL 設(shè)計(jì)。
VCO 的輸出通過一個(gè)簡單的電阻分配網(wǎng)絡(luò)來完成功率分配。從 VCO 的輸出看到電阻網(wǎng)絡(luò)的阻抗為 18+(18+50)//(18+50)=52ohm。形成與 VCO 的輸出阻抗匹配。下圖中 ABC 三點(diǎn)功率關(guān)系。B，C 點(diǎn)的功率比 A 點(diǎn)小 6dB。
如下圖是 ADF4360-7 輸出頻率在 850MHz~950MHz 時(shí)的輸出匹配電路，注意該例是匹配到 50 歐的負(fù)載。如果負(fù)載是 75 歐，那么匹配電路無需改動(dòng)，ADF4360-7 的輸出級(jí)為電流源，負(fù)載值的小變動(dòng)不會(huì)造成很大的影響，但要注意差分輸出端的負(fù)載需相等。
7. 如何設(shè)置電荷泵的極性？
在下列情況下，電荷泵的極性為正。
●環(huán)路濾波器為無源濾波器，VCO 的控制靈敏度為正（即，隨著控制電壓的升高，輸出頻率增大）。
在下列情況下，電荷泵的極性為負(fù)。
●環(huán)路濾波器為有源濾波器，并且放大環(huán)節(jié)為反相放大；VCO 的控制靈敏度為正。
●環(huán)路濾波器為無源濾波器，VCO 的控制靈敏度為負(fù)。
●PLL分頻應(yīng)用，濾波器為無源型。即參考信號(hào)直接 RF 反饋分頻輸入端，VCO 反饋到參考輸入的情況。
8. 鎖定指示電路如何設(shè)計(jì)？
PLL 鎖定指示分為模擬鎖定指示和數(shù)字鎖定指示兩種。
鑒相器和電荷泵原理圖
數(shù)字鎖定指示：
當(dāng) PFD 的輸入端連續(xù)檢測(cè)到相位誤差小于 15ns 的次數(shù)為 3(5)次，那么 PLL 就會(huì)給出數(shù)字鎖定指示。
數(shù)字鎖定指示的工作頻率范圍：通常為 5kHz~50MHz。在更低的 PFD 頻率上，漏電流會(huì)觸發(fā)鎖定指示電路；在更高的頻率上，15ns 的時(shí)間裕度不再適合。在數(shù)字鎖定指示的工作頻段范圍之外，推薦使用模擬鎖定指示。
模擬鎖定指示：
對(duì)電荷泵輸入端的 Up 脈沖和 Down 脈沖進(jìn)行異或處理后得出的脈沖串。所以當(dāng)鎖定時(shí)，鎖定指示電路的輸出為帶窄負(fù)脈沖串的高電平信號(hào)。圖為一個(gè)典型的模擬鎖定指示輸出（MUXOUT 輸出端單獨(dú)加上拉電阻的情況）。
模擬鎖定指示的輸出級(jí)為 N 溝道開漏結(jié)構(gòu)，需要外接上拉電阻，通常為 10KOhm~160kohm。我們可以通過一個(gè)積分電路（低通濾波器）得到一個(gè)平坦的高電平輸出，如圖所是的藍(lán)色框電路。
誤鎖定的一個(gè)條件：
參考信號(hào)REFIN信號(hào)丟失。當(dāng)REFIN信號(hào)與PLL頻合器斷開連接時(shí)，PLL顯然會(huì)失鎖；然而，ADF41xx 系列的 PLL，其數(shù)字鎖定指示用 REFIN 時(shí)鐘來檢查是否鎖定，如果 PLL 先前已經(jīng)鎖定，REFIN 時(shí)鐘突然丟失，PLL 會(huì)繼續(xù)顯示鎖定狀態(tài)。解決方法是使用模擬鎖定指示。
當(dāng) VCXO 代替 VCO 時(shí)，PLL 常常失鎖的原因。以 ADF4001 為例說明。VCXO 的輸入阻抗通常較?。ㄏ鄬?duì)于 VCO 而言），大約為 100kohm。這樣 VCXO 需要的電流必須由 PLL 來提供。PFD=2MHz， Icp=1.25mA，Vtune=4V，VCXO 輸入阻抗=100kohm，VCXO 控制口電流=4/100k=40uA。在 PFD 輸入端，用于抵消 VCXO 的輸入電流而需要的靜態(tài)相位誤差
16ns>15ns，所以，數(shù)字鎖定指示為低電平。
解決方法1，使用模擬鎖定指示。
解決方法2，使用更高的電荷泵電流來減小靜態(tài)相位誤差。增大環(huán)路濾波器電容，使放電變緩。
9. PLL 對(duì)射頻輸入信號(hào)有什么要求？
頻率指標(biāo)：可以工作在低于最小的射頻輸入信號(hào)頻率上，條件是 RF 信號(hào)的 Slew Rate 滿足要求。
例如，ADF4106 數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)定最小射頻輸入信號(hào) 500MHz，功率為-10dBm，這相應(yīng)于峰峰值為200mV，slew rate=314V/us。如果您的輸入信號(hào)頻率低于 500MHz，但功率滿足要求，并且slew rate 大于 314V/us，那么 ADF4106 同樣能夠正常工作。通常 LVDS 驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)換速率可以很容易達(dá)到 1000V/us。
10. PLL 芯片對(duì)電源的要求有哪些？
要求 PLL 電源和電荷泵電源具有良好的退耦，相比之下，電荷泵的電源具有更加嚴(yán)格的要求。具體實(shí)現(xiàn)如下：
在電源引腳出依次放置 0.1uF，0.01uF，100pF 的電容。最大限度濾除電源線上的干擾。大電容的等效串聯(lián)電阻往往較大，而且對(duì)高頻噪聲的濾波效果較差，高頻噪聲的抑制需要用小容值的電容。下圖可以看到，隨著頻率的升高，經(jīng)過一定的轉(zhuǎn)折頻率后，電容開始呈現(xiàn)電感的特性。不同的電容值，其轉(zhuǎn)折頻率往往不同，電容越大，轉(zhuǎn)折頻率越低，其濾除高頻信號(hào)的能力越差。
另外在電源線上串聯(lián)一個(gè)小電阻（18ohm）也是隔離噪聲的一種常用方法。
11. 集成VCO 的ADF4360-x ，其中心頻率如何設(shè)定？
VCO 的中心頻率由下列三個(gè)因素決定。
1）VCO 的電容 C VCO
2）由芯片內(nèi)部 Bond Wires 引入的電感 L BW
3）外置電感 L EXT 。即
其中前2項(xiàng)由器件決定，這樣只要給定一個(gè)外置電感，就可以得到VCO的輸出 中心頻率。VCO的控制靈敏度在相應(yīng)的數(shù)據(jù)手冊(cè)上給出。作為一個(gè)例子，下圖給出了 ADF4360-7 的集成 VCO 特性。
ADF4360-7 VCO 輸出中心頻率與外置電感的關(guān)系
ADF4360-7 VCO 的靈敏度與外置電感的關(guān)系
電感的選取，最好選用高 Q 值的。Coilcraft 公司是不錯(cuò)的選擇。市面上常見的電感基本在 1nH以上。更小的電感可以用 PCB 導(dǎo)線制作。這里給出一個(gè)計(jì)算 PCB 引線電感的簡單公式，如下圖所示。
導(dǎo)線電感的模型
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