鎖相環(huán)（PLL）電路是一種反饋系統(tǒng)，它結(jié)合了壓控振蕩器（VCO）和鑒相器，使振蕩器信號以正確的頻率和相位跟蹤施加的頻率或相位調(diào)制信號。當(dāng)需要從固定的低頻信號產(chǎn)生穩(wěn)定、更高的輸出頻率或需要快速頻率變化時，可以使用PLL。典型用例是高頻、電信和測量技術(shù)，用于實現(xiàn)濾波器、調(diào)制和解調(diào)以及頻率合成。

圖1所示為基于PLL的頻率合成器的框圖。VCO 生成輸出信號。PLL將其保持在設(shè)定點頻率，并鎖定至參考頻率。參考頻率通常由非常精確的石英振蕩器提供。在鑒相器前面的鎖相環(huán)電路的反饋路徑中設(shè)置了一個分頻器，以通過可調(diào)系數(shù)降低VCO頻率。

圖1.鎖相環(huán)框圖。

VCO包含一個可調(diào)調(diào)諧元件，例如變?nèi)?a target="_blank">二極管，其電容隨輸入電壓而變化。因此，PLL電路是VCO的一種反饋控制系統(tǒng)。VCO所需的輸入或控制電壓通常高于PLL電路可用的電源電壓。電源電壓通常為3.3 V或5 V，而VCO可能需要超過20 V的電壓，具體取決于所需頻率。為了產(chǎn)生更寬的頻率范圍，可以使用具有更寬調(diào)諧范圍的VCO。支持千兆赫茲范圍內(nèi)VCO的簡化電路示例如圖2所示。

圖2.ADF4150HV高壓電荷泵電源的簡化電路。

作為VCO，可以使用Synergy微波公司的DCYS100200-12。它允許在 28 V （V調(diào)整），如圖 3 中的圖形所示。

圖3.DCYS100200-12 的控制電壓與頻率的關(guān)系。

產(chǎn)生高控制電壓有幾種可能性。一種是使用有源環(huán)路濾波器，它主要由一個高速放大器和一個低通濾波器組成，該濾波器對鑒相器（CP外） 變成干凈的直流電壓。作為替代方案，可以使用集成電荷泵的PLL頻率合成器，例如ADI公司（ADI）的ADF4150HV，它不需要額外的有源環(huán)路濾波器。雖然這兩種解決方案都需要高壓電源，但ADF4150HV可以減少元件數(shù)量。還可以避免有源濾波放大器引起的失真和相位噪聲。此外，ADF4150HV還允許實現(xiàn)小數(shù)N分頻或整數(shù)N分頻鎖相環(huán)頻率合成器。因此，VCO頻率可以分頻1、2、4、8或16，以便輸出頻率可以低至最低31.25 MHz。

ADF4150HV集成電荷泵所需的高電壓可通過DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器ADP1613產(chǎn)生，而不會影響PLL性能。ADP1613是一款集成功率晶體管的高效開關(guān)穩(wěn)壓器，可輕松實現(xiàn)高達20 V的輸出電壓。 通過使用額外的外部元件，特別是通過外部功率晶體管，也可以獲得更高的輸出電壓。ADP1613的開關(guān)頻率可在650 kHz至1.3 MHz范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。這導(dǎo)致更好的瞬態(tài)響應(yīng)和簡單的噪聲過濾。通常，建議選擇大于1 MHz的開關(guān)頻率，以便PLL環(huán)路濾波器降低開關(guān)噪聲。

采用ADF4150HV的鎖相環(huán)頻率合成器電路采用集成RF分頻器，提供超寬帶PLL功能。它可實現(xiàn) 62.5 MHz 至 2 GHz 的頻率覆蓋范圍。使用相同的PLL硬件設(shè)計，可以為系統(tǒng)中的多種不同硬件平臺生成不同的頻率。但是，如果各種VCO類型需要設(shè)計，則在設(shè)計中加入相應(yīng)的環(huán)路濾波器是有意義的。通過這種方式，可以確保鎖相環(huán)可靠地運行。對于相對較寬的輸出頻率調(diào)節(jié)范圍以及相關(guān)的較高輸出功率，ADF4150HV的每個RF輸出也需要一個小濾波器結(jié)構(gòu)。27 nH電感與50 Ω電阻并聯(lián)，可為高達3 GHz的頻率提供良好的調(diào)節(jié)。電阻器提供定義的輸出阻抗。較低的電感將導(dǎo)致頻帶擴展到較低的范圍。

如今，在一個外殼中也可以提供用于更大頻率范圍（即PLL、濾波器和VCO）的集成解決方案，但由于不同組件之間的距離很近，這可能會導(dǎo)致不希望的耦合。分立式設(shè)計和由此產(chǎn)生的物理分離將這種風(fēng)險降至最低。

PLL頻率合成器仿真工具ADIsimPLL?還為HF功能模塊和建模HF信號鏈的開發(fā)提供了有用的支持。它允許設(shè)計人員相對輕松地仿真可能影響PLL性能的所有重要非線性效應(yīng);例如，頻率合成過程中不需要的雜散（雜散頻率）。

審核編輯：郭婷