揭开锁相环的奥秘：PLL的基本结构和简易工作原理
2024.5.13
锁相环（Phase-Locked Loop, PLL），是一种反馈控制电路，电子设备正常工作，通常需要外部的输入信号与内部的振荡信号同步，利用锁相环路就可以实现这个目的，它可用来从固定的低频信号生成稳定的输出高频信号。
因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，即锁相环名称的由来。
锁相环通常由鉴相器（PFD）、环路滤波器（LPF）、压控振荡器（VCO）和N分频器四部分组成，我司锁相环产品在鉴相器和环路滤波器之间增加了高精度补偿电荷泵（CP）结构，相比于简单锁相环结构，电荷泵锁相环（CPPLL）可以通过环路滤波器中的电容形成积分器，进而可以将环路增益提高到无穷大。
CPPLL基本结构电荷泵锁相环有开环增益大、捕获范围宽、捕获速度快、稳定度高和相位误差小等优势，但同时，在设计中也要控制可能存在的电荷泄漏、电流失配、电荷共享、时钟馈通等问题，避免压控振荡器输出频率产生抖动和相位发生偏差。
鉴频鉴相器–PFD
鉴频鉴相器，是能够鉴别出输入参考信号和输出信号相位差的器件。
鉴相器通过比较输入参考信号和输出信号的相位差，将相位差转换为电压输出，从而实现相位检测。值得一提的是，简单鉴相器（PD）只能检查相位偏差，频率捕获范围较小，但PLL开始工作时，VCO的工作频率可能跟输入参考频率偏差很大，PLL需要花很长时间矫正，所以我们更需要鉴频鉴相器（PFD），提高频率捕获范围 ，加快PLL工作效率。
鉴相器就像一把尺，衡量输入参考信号与系统反馈信号之间的相位差，并将其转化为电压，传递给下级电路。
电荷泵–CP
电荷泵，又称无感式DC-DC电源变换器。
电荷泵的基本原理是给电容充电，隔离电荷，电容可以从充电电路取下连接到另一电路上，起到传递刚才隔离的电荷的作用，从而变换输出电压。可以形象地把这个传递电荷的电容看成一个“装了电子的水桶”。从一个大水箱把这个桶接满，关闭龙头，然后把桶里的水倒进另一个大水箱。
环路滤波器–LPF
环路滤波器，是线性的低通滤波器，无衰减地通过低频并阻塞高频，用来滤除输出电压中的高频分量和噪声，保证系统稳定性。虽然它的电路很简单，但对环路的相位噪声、环路稳定性及锁定时间都有很大影响。
压控振荡器–VCO
压控振荡器，是根据输入控制电压，通过特定函数，输出对应频率的振荡电路。
压控振荡器可以产生比外部晶振高得多，这也是我们需要使用锁相环进行高频时钟发生，而非简单倍频晶振的直接原因。
N分频器–N Divider
N分频器，是将VCO的高频率信号以指定的分频倍数分频到参考频率附件，输入到鉴相器进行比较。
N分频器可谓是PLL系统的神来之笔，这是PLL能实现将晶振信号放大多倍的关键。分频后的输出信号再回到PFD进行矫正，系统稳定后即可以达到输出信号是输入参考信号N倍的效果。
综上，在锁相环工作环路中，鉴频鉴相器比较输入参考频率和反馈频率的相位差，通过电压通断的形式传输给电荷泵，进而对环路滤波器进行充电和放电，形成压控振荡器的控制电压，对振荡器输出信号的频率进行控制，振荡器输出频率又经过N分频器，反馈给鉴频鉴相器。周而复始，控制整个系统的输出信号保持稳定。
我司锁相环时钟源产品具有高集成、高精度、低功耗、小面积等特性，个别关键指标优于竞品
ATC78701，输出频率覆盖范围1-5.5 GHz，VCO外置；
ATC79550，频率覆盖范围186.8-4400 MHz，集成VCO。
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