鎖相環(huán)(PLL)電路是由壓控振蕩器(VCO)和鑒相器組成的反饋系統(tǒng)，振蕩器信號跟蹤施加的頻率或相位調(diào)制信號是否具有正確的頻率和相位。需要從固定低頻率信號生成穩(wěn)定的高輸出頻率時，或者需要頻率快速變化時，都可以使用PLL。典型應用包括采用高頻率、電信和測量技術(shù)實現(xiàn)濾波、調(diào)制和解調(diào)，以及實現(xiàn)頻率合成。
圖1.鎖相環(huán)框圖
圖1所示為基于PLL的頻率合成器框圖。VCO生成輸出信號。通過PLL將其保持在設定頻率，并鎖定到基準頻率。基準頻率通常由非常精準的石英振蕩器提供。在鎖相環(huán)電路的反饋路徑部分，在鑒相器前通過分頻器提供可調(diào)的VCO分頻比。
VCO包含可調(diào)的調(diào)諧元件，例如電容隨輸入電壓改變的變?nèi)荻O管。因此，PLL電路可以算一種VCO反饋控制系統(tǒng)。VCO所需的輸入或控制電壓通常高于提供給PLL電路的電源電壓。電源電壓一般為3.3 V或5 V，而VCO根據(jù)頻率需求可能需要高于20 V的電壓。要生成范圍更廣泛的頻率，可以使用具備更廣泛調(diào)諧范圍的VCO。圖2顯示了支持千兆赫范圍VCO的簡單電路示例。
VCO可以使用Synergy Microwave Corporation的DCYS100200-12。該產(chǎn)品在28 V (VTUNE)時產(chǎn)生2 GHz頻率，如圖3所示。
生成高控制電壓，有幾種可行方案。其一是使用有源環(huán)路濾波器，該濾波器基本是由高速放大器和低通濾波器構(gòu)成，可以將來自鑒相器(CPOUT)的輸出脈沖轉(zhuǎn)化為干凈的直流電壓。或者，可以使用帶集成電荷泵的PLL頻率合成器，例如ADI的ADF4150HV，該器件不需要額外的有源環(huán)路濾波器。雖然這兩種解決方案都需要高壓電源，但是使用ADF4150HV可以減少所需的組件數(shù)量。也可以避免有源濾波放大器導致的失真和相位噪聲。此外，ADF4150HV允許實現(xiàn)小數(shù)N或整數(shù)N鎖相環(huán)頻率合成器。最終VCO的頻率可以進行1、2、4、8或16分頻，使得輸出頻率最低可達到31.25 MHz。
圖2.用于ADF4150HV的高壓電荷泵電源簡化電路
圖3.DCYS100200-12的控制電壓與頻率關(guān)系曲線1
ADF4150HV的集成電荷泵所需的高電壓可以使用直流-直流升壓轉(zhuǎn)換器ADP1613 生成，且不降低PLL性能。 ADP1613是一款集成功率晶體管的高效開關(guān)穩(wěn)壓器，可以輕松實現(xiàn)最高20 V的輸出電壓。也可以使用額外的外部組件實現(xiàn)更高的輸出電壓，尤其是通過外部功率晶體管實現(xiàn)。ADP1613的開關(guān)頻率可在650 kHz至1.3 MHz范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。這樣可以實現(xiàn)更出色的瞬態(tài)響應和簡單的噪聲過濾。一般而言，推薦選擇高于1 MHz的開關(guān)頻率，以便通過PLL環(huán)路濾波器降低開關(guān)噪聲。
采用ADF4150HV的鎖相環(huán)頻率合成器電路通過使用集成的RF分頻器，提供超寬帶PLL功能。工作頻率范圍為62.5 MHz至2 Ghz。通過采用相同的PLL硬件設計，可以為系統(tǒng)中的多個不同的硬件平臺生成不同的頻率。但是，如果要求一項設計適用于不同的VCO類型，則需要在設計中集成相應的環(huán)路濾波器。這樣才能確保鎖相環(huán)可靠運行。為了實現(xiàn)相對較寬的輸出頻率調(diào)節(jié)范圍，以及相關(guān)的更高輸出功率，ADF4150HV的每個RF輸出也需要采用小型濾波器。將27 nH電感和50 Ω電阻并聯(lián)，可以有效調(diào)節(jié)高達3 GHz的頻率。該電阻提供定義上的輸出阻抗。較低的電感將導致頻段擴展到較低的范圍。
如今，也可提供適用于更大頻率范圍（即適用于PLL、濾波器和VCO）的一體化集成解決方案，但是，由于不同組件之間的距離過近，可能導致無用耦合。分立式設計和由此實現(xiàn)的物理分隔可以充分降低這種風險。
PLL頻率合成器模擬工具ADIsimPLL?也可以為HF功能模塊開發(fā)和HF信號鏈器件建模提供有效幫助。通過使用該工具，設計人員更容易模擬所有會影響PLL性能的重要非線性效應；例如，頻率合成過程中出現(xiàn)的無用雜散（雜散頻率）。
參考文獻
1 “壓控振蕩器表面貼裝型號：DCYS100200-12”。Synergy Microwave Corporation，2014年10月。
2 “電路筆記CN-0228：單電源為28 V、高壓鎖相環(huán)(PLL)頻率合成器供電。”ADI公司，2014年6月。
作者簡介
Thomas Brand于2015年加入德國慕尼黑的ADI公司，當時他還在攻讀碩士。畢業(yè)后，他參加了ADI公司的培訓生項目。2017年，他成為一名現(xiàn)場應用工程師。Thomas為中歐的大型工業(yè)客戶提供支持，并專注于工業(yè)以太網(wǎng)領(lǐng)域。他畢業(yè)于德國莫斯巴赫的聯(lián)合教育大學電氣工程專業(yè)，之后在德國康斯坦茨應用科學大學獲得國際銷售碩士學位。