锁相环常见问题解答讲解.docx
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锁相环常见问题解答讲解
ADI官网下载了个资料，对于PLL学习和设计来说都非常实用的好资料，转发过来，希望对大家有帮助（原文链接
∙参考晶振有哪些要求？
我该如何选择参考源？
∙请详细解释一下控制时序，电平及要求？
∙控制多片PLL芯片时，串行控制线是否可以复用？
∙请简要介绍一下环路滤波器参数的设置？
∙环路滤波器采用有源滤波器还是无源滤波器？
∙PLL对于VCO有什么要求？
以及如何设计VCO输出功率分配器？
∙如何设置电荷泵的极性？
∙锁定指示电路如何设计？
∙PLL对射频输入信号有什么要求？
∙PLL芯片对电源的要求有哪些？
∙内部集成了VCO的ADF4360-x，其VCO中心频率如何设定？
∙锁相环输出的谐波？
∙锁相环系统的相位噪声来源有哪些？
减小相位噪声的措施有哪些？
∙为何我测出的相位噪声性能低于ADISimPLL仿真预期值？
∙锁相环锁定时间取决于哪些因素？
如何加速锁定？
∙为何我的锁相环在做高低温试验的时候，出现频率失锁？
∙非跳频（单频）应用中，最高的鉴相频率有什么限制？
∙频繁地开关锁相环芯片的电源会对锁相环有何影响？
∙您能控制PLL芯片了么？
，R分频和N分频配置好了么？
∙您的晶振输出功率有多大？
VCO的输出功率有多大？
∙您的PFD鉴相极性是正还是负？
∙您的VCO输出频率是在哪一点？
最低频率？
最高频率？
还是中间的某一点？
VCO的控制电压有多大？
∙您的PLL环路带宽和相位裕度有多大？
∙评价PLL频率合成器噪声性能的依据是什么？
∙小数分频的锁相环杂散的分布规律是什么？
∙到底用小数分频好还是整数分频好？
∙ADI提供的锁相环仿真工具ADISimPLL支持哪些芯片，有什么优点？
∙分频–获得高精度时钟参考源？
∙PLL，VCO闭环调制，短程无线发射芯片？
∙PLL，VCO开环调制？
∙时钟净化----时钟抖动（jitter）更小？
∙时钟恢复（ClockRecovery）？
问题：
参考晶振有哪些要求？
我该如何选择参考源？
∙
答案：
波形：
可以使正弦波，也可以为方波。
∙
功率：
满足参考输入灵敏度的要求。
∙
稳定性：
通常用TCXO，稳定性要求<2ppm。
这里给出几种参考的稳定性指标和相位噪声指标。
∙
名称
频率范围（MHz）
频率稳定度（ppm）
相位噪声dBc/Hz@10kHz
价格
普通晶体振荡器SPXO
1~100
+/-10~+/-100
低
压控晶体振荡器VCXO
1~60
+/-1~+/-50
温度补偿晶体振荡器TCXO
1-60
+/-0.1~+/-5
压控振荡器VCO
宽
-110
恒温控制晶体振荡器OCXO
10~20
0.0005~0.01
-150,-120@10Hz
非常高
∙
频率范围：
ADI提供的PLL产品也可以工作在低于最小的参考输入频率下，条件是输入信号的转换速率要满足给定的要求。
∙
例如，ADF4106的数据手册要求的最小参考输入信号REFIN为20MHz，功率最小为-5dBm，这相当于转换速率（slewrate）为22.6V/us，峰峰值为360mV的正弦波。
具体计算如下：
对正弦波Vp*sin（2*pi*f*t）而言，转换速率SlewRate=dv/dt|max=2*pi*f*Vp。
那么我们来考察功率为-5dBm（50欧姆系统）（Vp=180mV）的信号，其峰峰值为360mV，其转换速率为
∙
SlewRate=dv/dt|max=2*pi*f*Vp=22.6V/us
∙
所以，只要REFIN功率满足要求，并且输入信号的转换速率高于22.6V/us，REFIN可以工作在低于20MHz的条件下。
具体实现是，一个转换时间为146ns的3.3VCMOS输入可以很容易的满足该项要求。
总的来说，用功率较大的方波信号作为参考可以使REFIN工作在低于数据手册上给出的最低频率限制。
∙
在PLL频率综合器的设计中，我们推荐使用温度补偿型晶振（TCXO）。
在需要微调参考的情况下使用VCXO，需要注意VCXO灵敏度比较小，比如100Hz/V，所以设计环路滤波器的带宽不能很大（比如200Hz），否则构成滤波器的电容将会很大，而电阻会很小。
普通有源晶振，由于其温度稳定性差，在高精度的频率设计中不推荐使用。
∙
∙
∙
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∙
问题：
请详细解释一下控制时序，电平及要求？
∙
答案：
ADI的所有锁相环产品控制接口均为三线串行控制接口。
如图1所示。
要注意的是：
在ADI的PLL产品中，大多数的时序图如图7中上面的图所示，该图是错误的，正确的时序图如图7中下面的图所示，LE的上升沿应跟Clock的上升沿对齐，而非Clock的下降沿。
∙
∙
图1PLL频率合成器的串行控制接口（3WireSerialInterface）
∙
∙
控制接口由时钟CLOCK，数据DATA，加载使能LE构成。
加载使能LE的下降沿提供起始串行数据的同步。
串行数据先移位到PLL频率合成器的移位寄存器中，然后在LE的上升沿更新内部相应寄存器。
注意到时序图中有两种LE的控制方法。
∙
SPI控制接口为3V/3.3VCMOS电平。
∙
另外，需要注意的是对PLL芯片的寄存器进行写操作时，需要按照一定的次序来写，具体请参照芯片资料中的描述。
特别地，在对ADF4360的寄存器进行操作时，注意在写控制寄存器和N计数器间要有一定的延时。
∙
∙
控制信号的产生，可以用MCU，DSP，或者FPGA。
产生的时钟和数据一定要干净，过冲小。
当用FPGA产生时，要避免竞争和冒险现象，防止产生毛刺。
如果毛刺无法避免，可以在数据线和时钟线上并联一个10~47pF的电容，来吸收这些毛刺。
∙
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∙
问题：
控制多片PLL芯片时，串行控制线是否可以复用？
∙
答案：
一般地，控制PLL的信号包括：
CE，LE，CLK，DATA。
CLK和DATA信号可以共用，即占用2个MCU的IO口，用LE信号来控制对哪个PLL芯片进行操作。
多个LE信号也可以共用一个MCU的IO口，这时需要用CE信号对芯片进行上电和下电的控制。
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∙
∙
问题：
请简要介绍一下环路滤波器参数的设置？
∙
答案：
ADISimPLLV3.0使应用工程师从繁杂的数学计算中解脱出来。
我们只要输入设置环路滤波器的几个关键参数，ADISimPLL就可以自动计算出我们所需要的滤波器元器件的数值。
这些参数包括，鉴相频率PFD，电荷泵电流Icp，环路带宽BW，相位裕度，VCO控制灵敏度Kv，滤波器的形式（有源还是无源，阶数）。
计算出的结果往往不是我们在市面上能够买到的元器件数值，只要选择一个最接近元器件的就可以。
∙
通常环路的带宽设置为鉴相频率的1/10或者1/20。
∙
相位裕度设置为45度。
∙
滤波器优先选择无源滤波器。
∙
滤波器开环增益和闭环增益以及相位噪声图之间的关系。
闭环增益的转折频率就是环路带宽。
相位噪声图上，该点对应于相位噪声曲线的转折频率。
如果设计的锁相环噪声太大，就会出现频谱分析仪上看到的转折频率大于所设定的环路带宽。
∙
∙
∙
∙
∙
∙
问题：
环路滤波器采用有源滤波器还是无源滤波器？
∙
答案：
有源滤波器因为采用放大器而引入噪声，所以采用有源滤波器的PLL产生的频率的相位噪声性能会比采用无源滤波器的PLL输出差。
因此在设计中我们尽量选用无源滤波器。
其中三阶无源滤波器是最常用的一种结构。
PLL频率合成器的电荷泵电压Vp一般取5V或者稍高，电荷泵电流通过环路滤波器积分后的最大控制电压低于Vp或者接近Vp。
如果VCO/VCXO的控制电压在此范围之内，无源滤波器完全能够胜任。
∙
当VCO/VCXO的控制电压超出了Vp，或者非常接近Vp的时候，就需要用有源滤波器。
在对环路误差信号进行滤波的同时，也提供一定的增益，从而调整VCO/VCXO控制电压到合适的范围。
∙
那么如何选择有源滤波器的放大器呢？
这类应用主要关心一下的技术指标：
∙
低失调电压（LowOffsetVoltage） [通常小于500µV]
∙
低偏流（LowBiasCurrent） [通常小于50pA]
∙
如果是单电源供电，需要考虑使用轨到轨（Rail-to-Rail）输出型放大器。
∙
这里提供几种常见的PLL滤波器应用放大器的型号。
∙
AD711/2,AD797,AD820/2,AD8510/2,AD8605/6,AD8610/20,AD8651/2,OP162/262,OP184/284,OP249,OP27.
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∙
∙
∙
∙
问题：
PLL对于VCO有什么要求？
以及如何设计VCO输出功率分配器？
∙
答案：
选择VCO时，尽量选择VCO的输出频率对应的控制电压在可用调谐电压范围的中点。
选用低控制电压的VCO可以简化PLL设计。
∙
VCO的输出通过一个简单的电阻分配网络来完成功率分配。
从VCO的输出看到电阻网络的阻抗为18+（18+50）//（18+50）=52ohm。
形成与VCO的输出阻抗匹配。
下图中ABC三点功率关系。
B，C点的功率比A点小6dB。
∙
∙
如图是ADF4360-7输出频率在850MHz~950MHz时的输出匹配电路，注意该例是匹配到50欧的负载。
如果负载是75欧，那么匹配电路无需改动，ADF4360-7的输出级为电流源，负载值的小变动不会造成很大的影响，但要注意差分输出端的负载需相等。
∙
∙
ADF4360-7输出匹配电路
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Re:
非常实用、超详细的锁相环常见问题解答~
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小爬7262014-6-17下午3:
04（回复小爬726）
∙
问题：
如何设置电荷泵的极性？
∙
答案：
在下列情况下，电荷泵的极性为正。
∙
o环路滤波器为无源滤波器，VCO的控制灵敏度为正（即，随着控制电压的升高，输出频率增大）。
在下列情况下，电荷泵的极性为负。
o环路滤波器为有源滤波器，并且放大环节为反相放大；VCO的控制灵敏度为正。
o环路滤波器为无源滤波器，VCO的控制灵敏度为负。
oPLL分频应用，滤波器为无源型。
即参考信号直接RF反馈分频输入端，VCO反馈到参考输入的情况。
问题：
锁定指示电路如何设计？
答案：
PLL锁定指示分为模拟锁定指示和数字锁定指示两种
鉴相器和电荷泵原理图
数字锁定指示：
当PFD的输入端连续检测到相位误差小于15ns的次数为3（5）次，那么PLL就会给出数字锁定指示。
数字锁定指示的工作频率范围：
通常为5kHz~50MHz。
在更低的PFD频率上，漏电流会触发锁定指示电路；在更高的频率上，15ns的时间裕度不再适合。
在数字锁定指示的工作频段范围之外，推荐使用模拟锁定指示。
模拟锁定指示对电荷泵输入端的Up脉冲和Down脉冲进行异或处理后得出的脉冲串。
所以当锁定时，锁定指示电路的输出为带窄负脉冲串的高电平信号。
图为一个典型的模拟锁定指示输出（MUXOUT输出端单独加上拉电阻的情况）。
模拟锁定指示的输出级为N沟道开漏结构，需要外接上拉电阻，通常为10KOhm~160kohm。
我们可以通过一个积分电路（低通滤波器）得到一个平坦的高电平输出，如图所是的蓝色框电路。
误锁定的一个条件：
参考信号REFIN信号丢失。
当REFIN信号与PLL频合器断开连接时，PLL显然会失锁；然而，ADF41xx系列的PLL，其数字锁定指示用REFIN时钟来检查是否锁定，如果PLL先前已经锁定，REFIN时钟突然丢失，PLL会继续显示锁定状态。
解决方法是使用模拟锁定指示。
当VCXO代替VCO时，PLL常常失锁的原因。
以ADF4001为例说明。
VCXO的输入阻抗通常较小（相对于VCO而言），大约为100kohm。
这样VCXO需要的电流必须由PLL来提供。
PFD=2MHz，Icp=1.25mA，Vtune=4V，VCXO输入阻抗=100kohm，VCXO控制口电流=4/100k=40uA。
在PFD输入端，用于抵消VCXO的输入电流而需要的静态相位误差
16ns>15ns，所以，数字锁定指示为低电平。
解决方法1，使用模拟锁定指示。
解决方法2，使用更高的电荷泵电流来减小静态相位误差。
增大环路滤波器电容，使放电变缓。
问题：
PLL对射频输入信号有什么要求？
答案：
频率指标：
可以工作在低于最小的射频输入信号频率上，条件是RF信号的SlewRate满足要求。
例如，ADF4106数据手册规定最小射频输入信号500MHz，功率为-10dBm，这相应于峰峰值为200mV，slewrate=314V/us。
如果您的输入信号频率低于500MHz，但功率满足要求，并且slewrate大于314V/us，那么ADF4106同样能够正常工作。
通常LVDS驱动器的转换速率可以很容易达到1000V/us。
SlewRate=dv/dt|max=2*pi*f*Vp=314V/us
问题：
PLL芯片对电源的要求有哪些？
答案：
要求PLL电源和电荷泵电源具有良好的退耦，相比之下，电荷泵的电源具有更加严格的要求。
具体实现如下：
在电源引脚出依次放置0.1µF，0.01µF，100pF的电容。
最大限度滤除电源线上的干扰。
大电容的等效串联电阻往往较大，而且对高频噪声的滤波效果较差，高频噪声的抑制需要用小容值的电容。
下图可以看到，随着频率的升高，经过一定的转折频率后，电容开始呈现电感的特性。
不同的电容值，其转折频率往往不同，电容越大，转折频率越低，其滤除高频信号的能力越差。
另外在电源线上串联一个小电阻（18ohm）也是隔离噪声的一种常用方法。
问题：
内部集成了VCO的ADF4360-x，其VCO中心频率如何设定？
答案：
VCO的中心频率由下列三个因素决定。
1.VCO的电容CVCO
2.由芯片内部BondWires引入的电感LBW
3.外置电感LEXT。
即
其中前2项由器件决定，这样只要给定一个外置电感，就可以得到VCO的输出中心频率。
VCO的控制灵敏度在相应的数据手册上给出。
作为一个例子，图2和图3给出了ADF4360-7的集成VCO特性。
图2ADF4360-7VCO输出中心频率与外置电感的关系
图3ADF4360-7VCO的灵敏度与外置电感的关系
电感的选取，最好选用高Q值的。
Coilcraft公司是不错的选择。
市面上常见的电感基本在1nH以上。
更小的电感可以用PCB导线制作。
这里给出一个计算PCB引线电感的简单公式，如图4所示。
图4导线电感的模型
问题：
锁相环输出的谐波？
答案：
一般地，锁相环的输出都会包含基波的谐波分量。
下图为ADF4360-7输出400MHz时的2nd，3rd和4th谐波分量，在芯片资料中一般都会给出这些指标。
因为与基波离得比较远，所以用一个低通滤波器就可以很好地滤除掉。
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Re:
非常实用、超详细的锁相环常见问题解答~
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小爬7262014-6-17下午3:
07（回复小爬726）
∙
问题：
锁相环系统的相位噪声来源有哪些？
减小相位噪声的措施有哪些？
∙
答案：
参考晶振（TCXO，VCXO）和R分频，PLL电荷泵，压控振荡器（VCO），N分频。
锁相环系统的相位噪声来源于四个部分，参考输入，反馈分频1/N，电荷泵，VCO。
这四部分贡献项可以用公式来表示。
∙
∙
∙
锁相环相位噪声贡献项模型
∙
对来说，系统闭环增益为低通特性，所以在环路带宽内，参考输入的相位噪声和N分频的噪声占很大比例（所以相同的输出频率，通过改变鉴相频率的方法并不会改善带内的相噪，因为参考源并未变化）。
同样对Scp2来说，它对系统的相位噪声的影响也取决于系统的闭环增益，与前面第一项的不同之处是，它还受限于电荷泵的增益Kd，所以在环路的带宽内，电荷泵的相位噪声也很重要。
对Svco2项来说，它对系统的相位噪声的影响取决于，而的幅频特性为高通，所以在环路带宽内VCO的贡献项可以忽略不计。
如下图所示。
∙
绿色线为参考源的相位噪声，绿色虚线代表经过低通后的相位噪声。
红色实线为VCO的相位噪声，虚线是经过高通滤波器后的相位噪声。
粉红色实线是PLL（鉴相器和电荷泵）的相位噪声，粉色虚线是经过低通滤波器的相位噪声。
黑色实线为合成的相位噪声输出。
∙
∙
减小相位噪声的措施：
∙
（1）增大鉴相频率（N变小）
∙
（2）缩小环路带宽（限制噪声）
∙
（3）增大电荷泵电流（Kd）
∙
（4）参考晶振选用更低噪声的产品。
∙
如果在频谱分析仪上测出的单边带相位噪声曲线的转折频率大于设计的环路带宽，说明系统的噪声太大，应该检查参考晶振，电荷泵的电流，PLLCorePowerLevel。
∙
∙
∙
∙
∙
问题：
为何我测出的相位噪声性能低于ADISimPLL仿真预期值？
∙
答案：
目前的PLL集成芯片所能达到的相位噪声基底大概为-216dBc/Hz。
新推出的PLL该性能可能会更低。
他们能够综合出低相噪的频率。
然而要真正实现低相噪的频率，需要考虑很多的因素。
ADISimPLL提供了预计相位噪声的一种方法，但是，这种预测，是在下列条件下进行的：
∙
oPLL芯片工作的电源纹波足够低--------------不会恶化噪声基底。
oPLL芯片的RF反馈输入（VCO的输出）具有合适的驱动能力，-----------不容许计数器错误计数。
oPLL芯片的REF参考输入具有合适的驱动能力，------------不容许参考计数器错误计数。
oPLL环路滤波器的电阻不会增加任何额外的噪声，-------------不高于热（Johnson）噪声。
oVCO的工作电压纹波足够小，--------不会恶化由于频率牵引引起的相位噪声。
o环路滤波器屏蔽足够好，-----------VCO的控制线上不会串入其他干扰信号。
o环路滤波器布局布线良好，------------防止出现来源于数字电路的窄脉冲出现在滤波器输入端并直接耦合到输出端。
实际的情况往往是：
oPLL或者VCO的电源直接来源于三端稳压器件。
如果对指标要求不是很严格，这样的条件下也许能够正常工作，但是噪声太大的电源难以使低噪声的PLL达到低噪声的要求。
oPLL附近存在数字电路，这是宽带噪声源，尤其是PLL与数字电路共用电源的情况下。
o电源退耦不够。
o电路设计匹配不好，尤其是射频输入口。
o电路板布局布线问题。
锁相环系统的杂散来源有哪些？
减小杂散的措施有哪些？
来源
1.PLL本身引入的杂散。
以鉴相频率为间隔的杂散，这时锁相环中最常见的杂散信号。
来源于电荷泵的漏电流，电荷泵源电流和汇电流及其失配。
小数分频锁相环的固有杂散。
2.外界串扰引入的杂散这些串扰包括工频干扰，计算机显示器行频，场频干扰，手机，附近功率放大器。
参考晶体（晶振）串扰。
措施
1.良好的电源退耦
2.良好的布局布线
3.环路滤波器的阶数更高，带宽更窄。
4.提高鉴相频率，使得参考杂散落在环路带宽以外。
5.本振源板加屏蔽壳以屏蔽外界串扰
问题：
锁相环锁定时间取决于哪些因素？
如何加速锁定？
答案：
定性分析：
设初始频率f1，终止频率f2，频率跳变量fjump=|f1-f2|，频率锁定误差容限ftol，环路带宽BW。
锁定时间LT。
环路带宽直接决定了锁定时间。
环路带宽越大，锁定时间越短，反之，锁定时间越长。
频率跳变的大小决定锁定时间。
频率跳变越大，锁定时间越长，反之，越短。
但是应该指出，如果频率跳变量和频率误差按等比例变化，那么锁定时间相等。
最佳锁定时间LT需要45~48度的相位裕度。
所定时间的经验公式：
加速环路锁定的方法：
（1）增大环路带宽。
环路带宽与锁定时间是一对矛盾。
设计工程师需要对其作出折衷选择。
增大环路带宽，同时意味着降低了对杂散信号的衰减，增大了相位噪声。
如果增大环路带宽到大于鉴相频率的五分之一，环路可能变得不稳定，并导致彻底失锁。
（2）增大鉴相频率。
鉴相频率决定了反馈分频和参考频率的比较速度，从而加快了电荷泵对环路滤波器的充放电，到达预定的控制电压，有效减小锁定时间。
需要注意的是，鉴相频率的增大，往往意味着需要增加环路带宽。
（3）采用两个锁相环，乒乓式工作。
两个频率之间采用高速开关进行切换。
（4）采用具有快速锁定能力的锁相环产品：
ADF4193，其锁定时间可以满足GSM基站的要求（20us）。
（5）另外，环路滤波器的电容（尤其是C2的影响），请选用低介电吸收（DielectricAbsorption）（DA）的电容，如介质为聚丙烯材料的电容，其DA典型值为0.001%~0.02%。
（6）避免控制电压工作在地和电荷泵电压Vp附近。
相应于输出频率的控制电压最好在Vp/2附近。
问题：
为何我的锁相环在做高低温试验的时候，出现频率失锁？
答案：
高低温试验失败，可以从器件的选择上考虑，锁相环是一个闭环系统，任何一个环节上的器件高低温失效都有可能导致锁相环失锁。
先从PLL频率合成器的外围电路逐个找出原因，如参考源（TCXO，）是否在高低温试验的范围之内？
ADFxxxx系列产品的温度范围为-40~+85度。
问题：
非跳频（单频）应用中，最高的鉴相频率有什么限制？
答案：
如果是单频应用，工程师都希望工作在很高的鉴相频率上，以获得最佳的相位噪声。
数据手册都提供了最高鉴相频率的值，另外，只要寄存器中B>A，并且B>2，就可能是环路锁定。
通常最高频率的限制是：
/p>
这里P为预分频计数器的数值。
ADF4xxx产品的预分频值最小可以到8/9，容许他们工作在较高的鉴相频率上。
问题：
频繁地开关锁相环芯片的电源会对锁相环有何影响？
答案：
不建议频繁地开关锁相环的电源，这可能会使芯片暂时进入一种不稳定的电源状态（下电时电容泻放电荷不充分，上电时电容充电不充分），从而导致锁相环不能锁定。
如果产品要求如此，则可使用芯片资料中提到的“CEpinmethod”来对芯片进行上电和下电。
问题：
您能控制PLL芯片了么？
，R分频和N分频配置好了么？
答案：
检查方法，PowerDown观测电流变化，MUXOUT引脚观测内部信号，如VDD，GND，R分频输出，N分频输出，等等。
时序要正确。
控制电平要兼容。
这一步是基础。
SPI口可以用MCU，DSP，或者FPGA提供。
问题：
您的晶振输出功率有多大？
VCO的输出功率有多大？
答案：
功率要满足输入灵敏度的要求。
参考计数器和反馈计数器不会错误工作。
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问题：
您的PFD鉴相极性是正还是负？
答案：
具体设置详见鉴相器极性设置。
（在ADF4113HV中关于鉴相器极性的描述有误，鉴相器极性位应该是1表示正，0表示负）
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