鎖相環(huán)（PLL）使用相位檢測器將反饋信號與參考信號進行比較，將兩個信號的相位鎖定在一起。雖然此屬性仍有許多應(yīng)用，但目前PLL最常用于頻率合成，通常用作頻率上/下變頻器中的本地振蕩器（LO），或用于高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）或數(shù)字到數(shù)字轉(zhuǎn)換器的時鐘。模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）。

直到最近，很少關(guān)注這些電路中的相位行為。然而，隨著對效率，帶寬和性能的不斷增長的需求，RF工程師必須設(shè)計新技術(shù)來提高頻譜和功率效率。信號相位的可重復(fù)性，可預(yù)測性和可調(diào)性在現(xiàn)代通信和儀器儀表應(yīng)用中都發(fā)揮著越來越重要的作用。

所有是相對的

指代一個階段是沒有意義的測量，除非它是相對于另一個信號或相對于原始相位。例如，雙端口網(wǎng)絡(luò)（如放大器）的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）的相位測量將輸出相位稱為輸入相位ANG（S21）。單個輸入的相位將反射相位稱為入射相位ANG（S11）。在PLL合成器上，相位測量被稱為輸入?yún)⒖枷辔换驈囊粋€信號到另一個信號。任何相位測量的圣杯或理想狀態(tài)應(yīng)與原始相位處于精確期望的值，但非線性，非理想性，溫度差異和電路板走線以及其他制造差異意味著相位更多信號生成中的屬性變量。出于本文的目的，術(shù)語同相是指具有完全相同的幅度和定時屬性的信號;確定性階段意味著它們之間的相位偏移是已知且可預(yù)測的。

示波器測量相位

為了比較兩個不同頻率的相位，高速示波器是比較輸出相位與參考相位的相對直觀的方法。為了可見，輸入和輸出階段通常是彼此的整數(shù)倍。這在許多時鐘電路中相對常見。對于整數(shù)N個PLL，輸入頻率（REF IN ）與輸出頻率（RF OUT ）之間的關(guān)系通常具有確定性和可重復(fù)性。只需將示波器探頭放在REF IN 和RF OUT 上，但在確定相位已經(jīng)穩(wěn)定時，請注意僅捕獲信號。復(fù)雜的示波器（如RTO1044）允許事件觸發(fā)器僅在滿足特定條件時激活：例如，當(dāng)已將特定數(shù)字模式寫入PLL設(shè)備并且存在來自已知信號的上升沿時。鑒于在數(shù)字模式的寫入和最終信號的確定之間可能存在一些延遲，因此在兩個事件之間插入一些延遲是至關(guān)重要的，這可以通過這種特殊的儀器模型實現(xiàn)。

圖1中的測量目標(biāo)是驗證ADF4356 PLL相對于已知參考信號（在這種情況下，另一個編程為相同輸出頻率的ADF4356）的相位延遲是恒定的，并且在上電時是可重復(fù)的。為了正確設(shè)置儀器，兩個低速探頭連接到ADF4356 SPI接口的CLK和DATA線。一旦記錄了寫入特定頻率的數(shù)字模式，在儀器捕獲顯示兩個PLL輸出的時域圖之前，等待時間為1秒。

對于此測量，兩個ADF4356 PLL鎖定在4 GHz的VCO頻率，并被8 MHz至500 MHz分頻，其中一個使用軟件斷電功能重復(fù)關(guān)閉和打開電源。示波器采用無限余輝模式進行119次采集，兩者之間的相位差是恒定且可重復(fù)的。遵循了一些預(yù)防措施以確保相位差是可重復(fù)的。低R分頻器值引入的不確定性低于較高值，并且將來自VCO輸出的分頻反饋饋送到N計數(shù)器輸入至關(guān)重要。鑒于ADF4356 PLL和VCO包含1024個不同的VCO頻段，使用手動校準覆蓋程序消除這種不確定性非常重要。

相位重新同步定義

相位再同步定義為小數(shù)N分頻PLL在每個給定頻率下返回相同相位偏移的能力。也就是說，當(dāng)將通道改變?yōu)轭l率B時觀察具有相位P1的頻率A，當(dāng)頻率被重新編程回F1時，觀察到相同的原始相位P1。該定義忽略了由于VCO漂移，漏電流，溫度變化等引起的變化。

Resync向小數(shù)N，Σ-Δ調(diào)制器發(fā)送一個復(fù)位脈沖，該調(diào)制器將其置于已知的可重復(fù)狀態(tài)。在完成VCO頻段選擇和環(huán)路濾波器建立時間等頻率穩(wěn)定機制之后，需要應(yīng)用該復(fù)位脈沖。它的值由寄存器12中的超時計數(shù)器控制。在最近的PLL上，調(diào)整該復(fù)位脈沖的時序的能力使輸出信號具有一定程度的可調(diào)節(jié)性，并能夠以360°的步長改變其時序。 2 25 ，大多數(shù)儀器都可以輕松測量。

對于本實驗，兩個ADF4356 VCO都編程為4002.5 MHz并除以8。 PLL被編程為VCO頻率為4694 MHz，然后編程回4002.5 MHz。使用示波器檢查PLL的行為，可以看出，在1700頻率變化后，PLL每次都會穩(wěn)定在同一相位。

為了表征不同的相位偏移特征，相位字被編程為4194304/2 25 ，相當(dāng)于90°。編程了90°，180°，270°和0°的相似值，并檢查了示波器圖（圖3）。

相對于通道1上的原始信號，四個等間距觀察信號，確認具有可編程偏移的相位再同步的準確性。

此功能非常有用，意味著可以為每個用戶頻率創(chuàng)建相位值查找表，每個用戶頻率都會撥打相位值使用。在將四個LO頻率同相組合的應(yīng)用中，相位再同步和偏移功能用于調(diào)整它們組合的輸出相位，以提供低6 dB的相位噪聲。如果用作可調(diào)諧LO（可能在信號分析儀的第一級），重新同步和相位偏移功能允許用戶在上電時運行一次校準，以確定每個LO的精確相位值。在用作LO時，可以根據(jù)需要將相位值編程到每個LO，從而消除了在每個頻率下校準的過程。

對于像網(wǎng)絡(luò)分析儀這樣的相位關(guān)鍵應(yīng)用，電路可以在上電時測量每個頻率的相位值，然后在必要時對它們進行編程，因為LO掃過感興趣的范圍。

測量相位，矢量信號和網(wǎng)絡(luò)分析儀

矢量信號和網(wǎng)絡(luò)分析儀對于表征相位行為也很有用，盡管它們的使用僅限于將器件的相位與其初始值進行比較。復(fù)雜的分析儀，如FSWP，可以置于FM解調(diào)模式并選擇相位輸出。

這對于評估ADF4356 PLL上存在的相位重新同步功能非常有用。下面的曲線（圖5）顯示，在輸出頻率為5025 MHz時，ADF4356相位變化180°。

相位調(diào)整

相位調(diào)整功能可避免重置Σ-Δ調(diào)制器，并簡單地在0°到360°之間添加相位字到現(xiàn)有相位。這在不希望重置相位的應(yīng)用中是有用的。它可用于動態(tài)調(diào)整相位字，以補償由于溫度等影響導(dǎo)致的相位差異。

相位調(diào)整會在每次更新R0時將相位添加到現(xiàn)有信號（編程到寄存器3的值）。它不包含像重新同步一樣的復(fù)位脈沖。 FSWP下面的測量表明，原始信號增加了90°（圖6）和270°（圖7）。在這兩種情況下，ADF4356的輸出頻率在更改相位之前設(shè)置為5025 MHz。

溫度過高行為

因為電感的物理參數(shù)會發(fā)生變化溫度，電氣特性也是如此，這表現(xiàn)為相位的變化。為了減輕這種相位變化，用戶可以編程所需的相位偏移以保持相同的相位。兩個編程為4 GHz輸出頻率的ADF4356 PLL在同一個相位的同一個烤箱腔內(nèi)密切跟蹤彼此的相位（圖2），因此這證明用戶可以根據(jù)溫度調(diào)整相位。

5G

波束成形是一種對5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)至關(guān)重要的技術(shù)。在這些網(wǎng)絡(luò)中，使用多個天線陣元素，每個元素具有不同的相位和幅度，以直接將天線能量引導(dǎo)到最終用戶。對于此應(yīng)用，相位可重復(fù)性至關(guān)重要。對于波束成形，LOphase需要是可重復(fù)的，如果相位不確定，則需要通過波束成形電路進行額外的校準。

圖9顯示了兩個半波長的波長間隔四分之一波長并且相位驅(qū)動的波長。天線輻射圖幾乎是全向的，并且沒有觀察到波束形成。圖10示出了由90°異相信號驅(qū)動的兩個元件，并且所得到的輻射圖案示出了輻射圖案更集中的方式。隨著元件陣列數(shù)量的增加，這可以使輻射方向圖更準確地朝向最終用戶，從而提高光譜效率。

相位再同步功能可確保不確定性在LO的相位特征中被消除。此外，調(diào)整此階段的能力為用戶提供了額外的杠桿，以克服電路中難以通過波束形成器或基帶電路調(diào)整的其他相位延遲。

結(jié)論

相位重新同步將ADF4356和類似的PLL部件置于已知相位，從而實現(xiàn)了許多應(yīng)用，并大大簡化了校準程序。