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PLL為什么是這么一個(gè)結(jié)構(gòu)呢?

2022/10/25
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如果用一個(gè)自由振蕩的振蕩器,給MCU提供時(shí)鐘。會(huì)咋樣呢?

首先,得說一下,簡(jiǎn)單的LC自由振蕩的振蕩器的頻率很脆弱。

哪哪都會(huì)影響到它。

供電大小變化,它會(huì)變;環(huán)境溫度變化,它會(huì)變;工藝角變化,它也會(huì)變。

所以,如果用MCU提供時(shí)鐘的話,假設(shè)環(huán)境溫度緩慢變化,則振蕩器的輸出頻率也會(huì)緩慢變化,這樣就會(huì)引起隨機(jī)相位累積。

單獨(dú)看,可能看不太出來,如果把它和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘輸出放在一起,就能感受到變化。

你會(huì)發(fā)現(xiàn),CKosc的上升沿離標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的上升沿越來越遠(yuǎn)。
 

 

而MCU的運(yùn)行是靠時(shí)鐘的上升沿或者下降沿來判別的,你上升沿和下降沿變那么多,MCU可能就運(yùn)行不正常了啊。

為了避免這個(gè)事情發(fā)生,就需要對(duì)振蕩器的相位進(jìn)行控制。

控制的目的,是希望VCO的相位與參考時(shí)鐘的相位對(duì)齊。

如下圖所示,這邊VCO的上升沿相對(duì)于VCK有Δt 秒的偏移,那怎么消除這個(gè)Δt的偏移呢。

 

具體過程如下:

假設(shè)在t=t1時(shí),VCO的頻率突然變大,然后電路開始累積相位差,相位誤差逐漸減小。在t=t2時(shí),VCK和VVCO之間的相位差變?yōu)?,兩信號(hào)的相位對(duì)齊。

 

此過程,即是將VCO的輸出相位與參考相位對(duì)齊的過程,稱為“鎖相”。

從上面的過程中,可以看出,要使得VCO的相位和參考信號(hào)的相位對(duì)齊,需要做到以下兩點(diǎn):

(1) VCO的頻率瞬間改變,并且能夠發(fā)生下面的積分運(yùn)算。

 

(2) 用鑒相器來比對(duì)兩個(gè)信號(hào)的相位差,以確定VCO和參考信號(hào)對(duì)齊的時(shí)間點(diǎn)。

將VCO的輸出相位與參考相位對(duì)齊的過程,稱為“鎖相”。
那怎么實(shí)時(shí)控制振蕩器的輸出相位呢,答案就是采用負(fù)反饋,如下圖所示。

 

輸出信號(hào)的相位與參考信號(hào)的相位進(jìn)行比對(duì),用鑒相器輸出的Vcont去調(diào)節(jié)VCO的頻率和相位。

如果環(huán)路增益足夠大,則

 

鑒相器的輸出是周期性脈沖,這會(huì)對(duì)VCO的性能產(chǎn)生影響。

為了解決這個(gè)問題,可以在鑒相器和VCO之間加一個(gè)低通濾波器,抑制鑒相器輸出的高頻分量。

 

這種負(fù)反饋電路,即稱為鎖相環(huán)(PLL)。當(dāng)φin − φout不隨時(shí)間變化(或者變化很小時(shí)),即稱環(huán)路鎖定。也就是說,這個(gè)環(huán)路的目的,是使得φin = φout,那如果是這個(gè)目的的話,為什么不直接用一根線連接呢。

這是因?yàn)椋绻诜答伝芈飞?,加上一個(gè)分頻器,那鎖相環(huán)就可以產(chǎn)生和參考信號(hào)差不多穩(wěn)定,但是頻率更高的信號(hào)。

 

參考文獻(xiàn):

Razavi, Design of CMOS Phase-Locked Loops

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