鎖相環(PLL)電路存在于各種高頻應用中，從簡單的時鐘凈化電路到用于高性能無線電通信鏈路的本振(LO)，以及矢量網絡分析儀(VNA)中的超快開關頻率合成器。

鎖相環是一種反饋系統，其中電壓控制振蕩器和相位比較器 相互連接，使得振蕩器頻率(相位)可以準確跟蹤施加的頻率 或相位調制信號的頻率。鎖相環可用來從固定的低頻信號生 成穩定的輸出頻率信號。首批鎖相環由法國工程師de Bellescize 在20世紀30年代初實現。然而，直到20世紀60年代中期，集 成式PLL成為一種成本相對較低的元件之后，鎖相環才得到 市場的廣泛認可。

01 鎖相環的基本組成

許多電子設備要正常工作，通常需要外部的輸入信號與內部的振蕩信號同步，利用鎖相環路就可以實現這個目的。

鎖相環路是一種反饋控制電路，簡稱鎖相環（PLL,Phase-Locked Loop）。鎖相環的特點是：利用外部輸入的參考信號控制環路內部振蕩信號的頻率和相位。

因鎖相環可以實現輸出信號頻率對輸入信號頻率的自動跟蹤，所以鎖相環通常用于閉環跟蹤電路。鎖相環在工作的過程中，當輸出信號的頻率與輸入信號的頻率相等時，輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值，即輸出電壓與輸入電壓的相位被鎖住，這就是鎖相環名稱的由來。

鎖相環通常由鑒相器（PD,Phase Detector）、環路濾波器（LF,Loop Filter）和壓控振蕩器（VCO,Voltage Controlled Oscillator）三部分組成，鎖相環組成的原理框圖如圖8-4-1所示。

鎖相環中的鑒相器又稱為相位比較器，它的作用是檢測輸入信號和輸出信號的相位差，并將檢測出的相位差信號轉換成uD（t）電壓信號輸出，該信號經低通濾波器濾波后形成壓控振蕩器的控制電壓uC（t），對振蕩器輸出信號的頻率實施控制。

02 鎖相環的工作原理

鎖相環中的鑒相器通常由模擬乘法器組成，利用模擬乘法器組成的鑒相器電路如圖8-4-2所示。

鑒相器的工作原理是：設外界輸入的信號電壓和壓控振蕩器輸出的信號電壓分別為：

（8-4-1）

（8-4-2）

式中的ω0為壓控振蕩器在輸入控制電壓為零或為直流電壓時的振蕩角頻率，稱為電路的固有振蕩角頻率。則模擬乘法器的輸出電壓uD為：

用低通濾波器LF將上式中的和頻分量濾掉，剩下的差頻分量作為壓控振蕩器的輸入控制電壓uC（t）。即uC（t）為：

（8-4-3）

式中的ωi為輸入信號的瞬時振蕩角頻率，θi（t）和θo（t）分別為輸入信號和輸出信號的瞬時相位，根據相量的關系可得瞬時頻率和瞬時相位的關系為：

即

（8-4-4）

則，瞬時相位差θd為

（8-4-5）

對兩邊求微分，可得頻差的關系式為

（8-4-6）

上式等于零，說明鎖相環進入相位鎖定的狀態，此時輸出和輸入信號的頻率和相位保持恒定不變的狀態，uc（t）為恒定值。當上式不等于零時，說明鎖相環的相位還未鎖定，輸入信號和輸出信號的頻率不等，uc（t）隨時間而變。

因壓控振蕩器的壓控特性如圖8-4-3所示，該特性說明壓控振蕩器的振蕩頻率ωu以ω0為中心，隨輸入信號電壓uc（t）的變化而變化。該特性的表達式為

上式說明當uc（t）隨時間而變時，壓控振蕩器的振蕩頻率ωu也隨時間而變，鎖相環進入“頻率牽引”，自動跟蹤捕捉輸入信號的頻率，使鎖相環進入鎖定的狀態，并保持ω0=ωi的狀態不變。

03 鎖相環的應用

[1] 鎖相環在調制和解調中的應用

（1）調制和解調的概念

為了實現信息的遠距離傳輸，在發信端通常采用調制的方法對信號進行調制，收信端接收到信號后必須進行解調才能恢復原信號。

所謂的調制就是用攜帶信息的輸入信號ui來控制載波信號uc的參數，使載波信號的某一個參數隨輸入信號的變化而變化。載波信號的參數有幅度、頻率和位相，所以，調制有調幅（AM）、調頻（FM）和調相（PM）三種。

調幅波的特點是頻率與載波信號的頻率相等，幅度隨輸入信號幅度的變化而變化；調頻波的特點是幅度與載波信號的幅度相等，頻率隨輸入信號幅度的變化而變化；調相波的特點是幅度與載波信號的幅度相等，相位隨輸入信號幅度的變化而變化。調幅波和調頻波的示意圖如圖8-4-4所示。

上圖的（a）是輸入信號，又稱為調制信號；圖（b）是載波信號，圖（c）是調幅波和調頻波信號。

解調是調制的逆過程，它可將調制波uo還原成原信號ui。

[2] 鎖相環在調頻和解調電路中的應用

調頻波的特點是頻率隨調制信號幅度的變化而變化。由8-4-6式可知，壓控振蕩器的振蕩頻率取決于輸入電壓的幅度。當載波信號的頻率與鎖相環的固有振蕩頻率ω0相等時，壓控振蕩器輸出信號的頻率將保持ω0不變。若壓控振蕩器的輸入信號除了有鎖相環低通濾波器輸出的信號uc外，還有調制信號ui，則壓控振蕩器輸出信號的頻率就是以ω0為中心，隨調制信號幅度的變化而變化的調頻波信號。由此可得調頻電路可利用鎖相環來組成，由鎖相環組成的調頻電路組成框圖如圖8-4-5所示。

根據鎖相環的工作原理和調頻波的特點可得解調電路組成框圖如圖8-4-6所示。

若輸入FM信號時，讓環路通帶足夠寬，使信號調制頻譜落在帶寬之內，這時壓控振蕩器的頻率跟蹤輸入調制的變化,如圖6.1所示。對于鎖相環的詳細分析可參閱有關鎖相技術的書籍。在此僅說明鎖相環鑒頻原理。可以簡單地認為壓控振蕩器頻率與輸入信號頻率之間的跟蹤誤差可以忽略。因此任何瞬時，壓控振蕩器的頻率ωv(t)與FM波的瞬時頻率ωFM(t)相等。

[3] 鎖相環在頻率合成電路中的應用

在現代電子技術中，為了得到高精度的振蕩頻率，通常采用石英晶體振蕩器。但石英晶體振蕩器的頻率不容易改變，利用鎖相環、倍頻、分頻等頻率合成技術，可以獲得多頻率、高穩定的振蕩信號輸出。

輸出信號頻率比晶振信號頻率大的稱為鎖相倍頻器電路；輸出信號頻率比晶振信號頻率小的稱為鎖相分頻器電路。鎖相倍頻和鎖相分頻電路的組成框圖如圖8-4-7所示。

圖中的N大于1時，為分頻電路；N小于1時，為倍頻電路。

從上面的簡單介紹就可以看出，PLL是一個模擬器件，所以他本質上對噪聲和干擾特別敏感，現在做PLL的重要課題之一就是如何減弱噪聲影響。一般后端在物理實現的時候，也會對PLL做額外的特殊照顧，盡量減弱干擾。PLL就類似芯片中的心臟，用以供給跳動的時鐘。但是在數字電路中照顧模擬器件的噪聲干擾是十分復雜、困難的一件事，需要考慮很多東西。首先在PLL內部，就需要采用類似差分電路的方法來做VCO，當然這是最基本的，但是更多方法我也不太了解。在PLL外面，我們也會加很大的blockage，還有加很強壯的shielding等，PG供電也是怎么強怎么來，還有等等一系列額外的QoR檢查、ESD檢查等。總之一句話，就是會犧牲很大的代價也要把PLL的抗噪聲做好。