PLL：详解锁相环

定义

PLL英文全称Phase-lockedloops。中文即：锁相环。PLL是一种带有电压或电压驱动振荡器的电子电路，该振荡器不断调整以匹配输入信号的频率。PLL用于从数据中断的“嘈杂”通信信道生成、稳定、调制、解调、滤波或恢复信号。

PLL广泛用于无线或射频（RF）应用，包括Wi-Fi路由器、广播无线电、对讲机无线电、电视和移动电话。

简单来说，锁相环是一种对频率和相位敏感的闭环反馈控制电路。PLL不是单个组件，而是由模拟和数字组件组成的系统，以“负反馈”配置互连。可以将其视为基于运算放大器（opamp）的精密运算放大器电路。

PLL锁相环有什么用？

PLL的主要目标是使输出振荡器信号与参考信号同步。即使两个信号具有相同的频率，它们的波峰和波谷也可能不会出现在同一位置。简而言之，它们不会同时到达波形上的同一点。

称为相位差，这是以信号之间的角度来测量的。对于频率不同的信号，它们之间的相位差总是会变化，这意味着一个信号将滞后或领先另一个信号。

在相位差期间，超前相位是指在相同频率的不同波“之前”发生的波，而滞后相位表示“落后于”另一个相同频率的波。

PLL可降低输出和输入频率之间的相位误差。当这些信号之间的相位差为零时，系统被称为“锁定”。这种锁定动作取决于PLL提供负反馈的能力，即将输出信号路由回鉴相器。
除了同步输出和输入频率外，PLL还有助于建立输入-输出相位关系，以产生适当的控制电压。因此，它有助于在电路中实现频率和相位锁定。

锁相环的关键组件

PLL由三个关键组件组成：

• 鉴相器（也称为相位比较器或混频器）。它比较两个信号的相位，并根据相位差产生电压。它乘以基准输入和压控振荡器输出。
• 压控振荡器。产生正弦信号，其频率与低通滤波器提供的中心频率非常匹配。
• 低通滤波器。一种环路滤波器，它衰减输入信号的高频交流（AC）分量，使信号平滑和扁平化，使其更像直流。

在这里，鉴相器用作模拟乘法器，压控振荡器用作增益模块，低通滤波器用作滞后模块。

锁相环、压控振荡器、参考振荡器和相位比较器共同构成了一个频率合成器——一个从单个固定振荡器产生一系列频率的电子系统。使用这种频率控制的无线设备被称为频率合成的。

其他频率合成器件包括：

• 手机
• 卫星接收器
• 全球定位系统

锁相环的工作原理

PLL的基本机制基于两个信号之间的相位差工作。它检测这种差异，并提供反馈机制来修改压控振荡器频率。

PLL将压控振荡器信号与输入/参考信号进行比较。由于PLL对频率和相位都敏感，因此它可以检测两个信号之间的频率和相位差。

它产生一个误差信号，对应于信号之间的相位差。这种差值被传递到低通滤波器，低通滤波器去除任何高频元件，并将误差信号滤波成变化的直流（DC）电平。然后将该“反馈信号”施加回压控振荡器以控制其频率。

简化了解锁相环如何不断调整电压以匹配输入信号频率。
首先，此循环将不锁定。误差信号会将压控振荡器频率拉向参考频率，并继续这样做，直到无法进一步减小误差。然而，在某一点上，两个信号之间的相位差将变为零（即，它们都将处于完全相同的频率）。
这时回路被称为锁定，并产生稳态误差电压。

常见锁相环应用

PLL用于数十种应用;其中包括：

• 电信系统
• 计算机
• 收音机
• 其他电子系统

锁相环经常用于无线通信，主要用于调频（FM）传输，它们能够从FM信号解调高质量的音频。它们还用于相位调制（PM）传输。 间接频率合成器是PLL的另一个重要应用。另外两个关键的PLL应用是：

• 时序分布。在数字逻辑电路（例如，在微处理器系统中）分配精确定时的时钟脉冲。
• 信号恢复。提供“干净”的信号，并在中断时记住频率（例如，使用脉冲传输时）。

数字数据传输比模拟传输更常用锁相环。它们也更常作为集成电路制造，尽管分立电路用于微波信号处理。