鎖相回路原理、組件與電路架構(gòu)

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1、鎖相回路原理、組件與電路架構(gòu)鎖相的觀念在1930年代發(fā)明后，很快地被廣泛運用在電子和通訊領(lǐng)域中，包含了內(nèi)存、微處理器、硬盤驅(qū)動裝置等。高性能的集成電路也被廣泛地運用在高頻無線通訊及光纖通訊中，但此也意味著在同一個系統(tǒng)芯片內(nèi)，所要面對接口電路和同步的問題也相對復(fù)雜。近十年來，集成電路不論是在芯片最高操作速度或是每顆芯片所整合之功能正以等比級數(shù)的速度成長。而高性能的集成電路也被廣泛地運用在高頻無線通訊及光纖通訊中。并行計算機，高解析圖形處理及網(wǎng)絡(luò)骨干等應(yīng)用也都得利于近年來集成電路朝向便宜、密度高以及易使用趨勢。使這些應(yīng)用不再是遙不

2、可及的夢想。但此也意味著在同一個系統(tǒng)芯片內(nèi)，所要面對接口電路和同步的問題也相對復(fù)雜。鎖相的觀念在1930年代發(fā)明后，很快地被廣泛運用在電子和通訊領(lǐng)中，這些包含了內(nèi)存、微處器、硬盤驅(qū)動裝置、射頻無線收發(fā)器和光纖收發(fā)器中。而單芯片鎖相回路（PLL）更有助于發(fā)展高性能和低成本的電子系統(tǒng)。雖然在不同制程和應(yīng)用中鎖相回路的設(shè)計有相當(dāng)?shù)牟町?，但是它的基本觀念從那時發(fā)明后幾乎沒有改變過。鎖相回路可視為一個輸出相位和輸入相位的回授系統(tǒng)。用以同步輸入?yún)⒖加嵦柡突厥诤筝敵鲂盘?。并讓其操作同樣的頻率。如(圖一)所示，簡單鎖相回路[3,4]是由三個電

3、路構(gòu)成，分別為相位偵測器（PhaseDetector）、回路濾波器（LoopFilter）、壓控掁蕩器（VCO）。整個回授機制會藉由比較壓控掁蕩器及參考訊號之間相位來改變壓控掁蕩器的相位，最后使得這兩個訊號保持固定相位關(guān)系。而所謂的“鎖相”就是兩個相位之關(guān)系經(jīng)由鎖相回路達到固定的關(guān)系而不會隨時間改變。因此，相位是頻率對時間所積分而來，當(dāng)回路鎖定時，鎖相回路會產(chǎn)生一個相對于輸入之小相位誤差的輸出，但其頻率是相同的。而如果這兩個條件有任一個不成立，鎖相回路則處在沒有鎖定狀態(tài)?？偨Y(jié)來說，鎖相回路它將相位偵測器所得到的結(jié)果，經(jīng)由回路濾

4、波器轉(zhuǎn)換成電壓形式的訊號去控制壓控振蕩器相位。達到鎖定狀態(tài)時，輸入和輸出的頻率是完全相同的。　　(圖一)　簡單鎖相回路示意圖電荷幫浦式鎖相回路雖然第一類鎖相回路已被廣泛運用在數(shù)字形式中，它們的缺點常阻礙了它在高效能集成電路中的使用，其中最大的問題就是受限的獲得（acquisition）范圍。假設(shè)一個鎖相回路在開啟時，其掁蕩器輸出之頻率和參考頻相差甚多時，回路由未鎖定狀態(tài)到鎖定狀態(tài)是一個非常不線性的狀況，因為相位偵測器（PhaseDetector）并不能判斷不相等頻率的兩訊號。鎖定的問題，使得上述之第一類鎖相回路之間交互限制更加

5、緊縮。如果減少濾波器之頻寬來抑制控制電壓上的擾動，但會使得獲得（acquisition）范圍減少。而在今日大部分的應(yīng)用中，因為掁蕩器的中心頻率會隨著制程和溫度變化，所以鎖相回路通常需要一寬范圍的獲得（acquisition）范圍。電荷幫浦式鎖相回路[5,6]可以很容易和結(jié)合輔助頻率電路來增加頻率鎖定范圍。它結(jié)和頻率相位偵測器更廣泛被使用在今日大部分的應(yīng)用中。電荷幫浦式鎖相回路，如(圖二)所示。原先在圖一的相位偵測器被頻率相位偵測及電荷幫浦取代。電荷幫浦的作用是將頻率相位偵測器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換成一個模擬的輸出訊號去控制掁蕩器。其中這四

6、個電路主要功能如下：●頻率相位偵器通常為一數(shù)字電路，其輸出為邏輯準(zhǔn)位(U/D)訊號?！耠姾蓭推钟靡赞D(zhuǎn)換邏輯準(zhǔn)位(U/D)訊號為一電流訊號(Ip)。●低通濾波器轉(zhuǎn)換器將電荷幫浦所產(chǎn)生電流訊號(Ip)轉(zhuǎn)換成一模擬電壓訊號(VC)。此訊號也是鎖相回路所謂的控制電壓。它對整個回路的性能影響最大?！駫奘幤鳟a(chǎn)生一輸出訊號，其頻率受控制電壓(Vc)所控制?！?圖二)　電荷幫浦式鎖相回路示意圖頻率相位偵測器頻率相位偵器是一數(shù)字電路，它通常是由輸入?yún)⒖加嵦?R)和掁蕩器回授訊號(V)的上升緣所驅(qū)動。如(圖三)所示，頻率相位偵器輸出訊號U和D可能

7、會組成三個狀態(tài)。其中U和D同時為邏輯一的情形并不會發(fā)生?？紤]訊號V上升緣發(fā)生時，會有三個事件可能會發(fā)生?！耦l率相位偵器會由狀態(tài)三轉(zhuǎn)到狀態(tài)二。而使D訊號為邏輯零。●頻率相位偵器會由狀態(tài)二轉(zhuǎn)到狀態(tài)一。而使U訊號為邏輯一。●頻率相位偵器保持相同的狀態(tài)。這時表示U已經(jīng)動作了。同樣的方法，考慮訊號U上升緣發(fā)生時，會有三個事件可能會發(fā)生。●頻率相位偵器會由狀態(tài)一轉(zhuǎn)到狀態(tài)二，而使U訊號為邏輯零?！耦l率相位偵器會由狀態(tài)二轉(zhuǎn)到狀態(tài)三。而使D訊號為邏輯一?！耦l率相位偵器保持相同的狀態(tài)。這時表示D已經(jīng)動作了。如果U和D是分別用以增加和減少振蕩器回授

8、訊號(V)的頻率，這個頻率相位偵測器就可以產(chǎn)生正確訊號來平衡兩個輸入訊號之頻率差。(圖四)為基本頻率相位偵測器電路圖?！?圖三)　頻率相位偵測器狀態(tài)圖(圖四)　基本頻率相位偵測器電荷幫浦電荷幫浦是由兩個相互匹配電流源組成，每一個電流源值為一固定值(Ip)，如(圖五)所示。電流