我們大多數人都見(jiàn)過(guò)“鎖相環(huán)”（或其縮寫(xiě)，PLL）這個(gè)詞。然而，我懷疑我們中很少有人徹底了解 1) PLL 的內部功能以及 2) 該功能如何導致 PLL 的各種使用方式。我在本文中的目標是對基本 PLL 特性提供清晰、直觀(guān)的解釋?zhuān)覀儗⒗^續撰寫(xiě)其他文章來(lái)探討詳細信息。
“鎖相環(huán)”一詞出現在多種環(huán)境中：微控制器、射頻解調器、振蕩器模塊、串行通信。首先要了解的是，“PLL”并不是指單個(gè)組件。PLL 是一個(gè)系統— 它由多個(gè)經(jīng)過(guò)精心設計并以負反饋配置互連的組件組成。確實(shí)，PLL 是作為單個(gè)集成電路出售的，因此很自然地將它們視為一個(gè)“組件”，但不要因此而分散您的注意力，因為 PLL 類(lèi)似于（例如）復雜的基于運算放大器的放大器電路，而不是運算放大器本身。
PLL ≥ PD + LPF + VCO
讓我們從一張圖開(kāi)始：
鎖相環(huán)圖
這就是 PLL 的基本原理。讓我們討論三個(gè)基本組成部分。
相位檢測器（不幸的是）并不是真正的相位檢測器，但這是標準術(shù)語(yǔ)。PLL中的相位檢測器實(shí)際上是相位差檢測器，即，它接受兩個(gè)周期性輸入信號并產(chǎn)生表示兩個(gè)輸入之間的相位差的輸出信號。
相位檢測器的輸出不是與相位差成比例的直接模擬信號。簡(jiǎn)單的模擬信號就在那里，但它與高頻內容相結合，使信號看起來(lái)與您可能期望的非常不同。因此需要低通濾波器：它抑制高頻分量并將鑒相器的輸出轉換為可以控制 VCO 的輸出。
你猜對了，壓控振蕩器就是一個(gè)由電壓控制的振蕩器。更具體地，由振蕩器產(chǎn)生的周期信號的頻率由電壓控制。因此，VCO 是一個(gè)可變頻率振蕩器，允許外部電壓影響其振蕩頻率。對于 PLL，控制電壓是經(jīng)過(guò)低通濾波的相位檢測器信號。
波形
在我們討論負反饋行為之前，讓我們將討論轉移到實(shí)際領(lǐng)域。我們將查看數字 PLL 產(chǎn)生的一些波形。您可能會(huì )將 PLL 設想為主要是模擬系統，這很好，但嘗試數字系統（在我看來(lái)）更簡(jiǎn)單。需要記住的重要一點(diǎn)是，相同的概念適用于模擬和數字實(shí)現。如果您了解這些數字波形發(fā)生了什么，您就可以大致了解 PLL 信號。
在數字 PLL 中，鑒相器所需的只是一個(gè)異或門(mén)。如您所知，只有當兩個(gè)輸入不同時(shí)，異或門(mén)才會(huì )產(chǎn)生邏輯高輸出。如果將此行為擴展到兩個(gè)輸入均為方波的情況，則 XOR 變?yōu)椤爱愊鄼z測器”：
異或門(mén) PLL 圖 1
這兩個(gè)方波具有較小的相位差，因此它們在周期的一小部分內處于不同的邏輯狀態(tài)。當邏輯狀態(tài)不同時(shí)，XOR 輸出為高電平。如果相位差變大，XOR 輸出在邏輯高電平上花費更多時(shí)間：
異或門(mén) PLL 圖 2
這就是異或門(mén)作為相位檢測器的作用：隨著(zhù)相位差的增加，輸出在周期的大部分時(shí)間處于邏輯高電平。換句話(huà)說(shuō)，XOR 輸出的占空比以及平均值與相位差成正比。
下一步是使用該平均值作為 VCO 的控制信號，這就是低通濾波器的作用：
異或門(mén) PLL 圖 3
綠色跡線(xiàn)是帶有一點(diǎn)紋波的平均值，是通過(guò)將相位檢測器信號傳遞通過(guò)簡(jiǎn)單的 RC 低通濾波器而產(chǎn)生的（如果您使用過(guò)“PWM DAC ”，您可能會(huì )認識到這種技術(shù)，該技術(shù)是一種數模轉換器，通過(guò)對脈寬調制信號進(jìn)行低通濾波來(lái)發(fā)揮作用）。該跡線(xiàn)標記為“ctrl”，因為這是我們可以用來(lái)控制（即改變其頻率）VCO 的信號。
關(guān)閉循環(huán)
PLL 可以以各種巧妙的方式使用，但基本功能是將輸出頻率“鎖定”到輸入頻率。（它們還將輸出相位鎖定到輸入相位，正如您從“鎖相環(huán)”名稱(chēng)中所期望的那樣，但它是一種不同類(lèi)型的鎖定。）鎖定操作是通過(guò)負反饋實(shí)現的，即通過(guò)路由輸出信號返回鑒相器（如上圖所示）。
根據我的經(jīng)驗，試圖徹底了解 PLL 將輸出頻率鎖定到輸入頻率的確切過(guò)程就像試圖抓住一塊霧并將其握在手中。它就在你面前，你知道它是真實(shí)的，你或多或少知道它是什么，但當你真正嘗試觀(guān)察它并理解它時(shí)，它就溜走了。我們將在以后的文章中進(jìn)一步討論這個(gè)過(guò)程�，F在，我將向您介紹一些重要的要點(diǎn)，以幫助您思考這個(gè)有趣的功能。
僅當兩個(gè)輸入頻率相等時(shí)（如上例所示），鑒相器才會(huì )產(chǎn)生恒定的占空比（因此產(chǎn)生恒定的平均值）。不同的頻率會(huì )導致占空比周期性變化：
PLL 周期性變化周期 1
PLL 周期性變化周期 2
因此，控制電壓將繼續上下漂移，直到輸出頻率等于輸入頻率。
為了建立鎖定，PLL 必須做的不僅僅是使輸出頻率等于輸入頻率。它還必須建立輸入輸出相位關(guān)系，以產(chǎn)生適當的控制電壓。
PLL 無(wú)法直接控制 VCO 信號的相位。調節VCO相位的方法是調節頻率，因此頻率變化將持續，直到實(shí)現頻率鎖定和相位鎖定。 |
