如何设计并调试锁相环PLL

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简 介
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1 C" G' y9 M* j0 s设计并调试锁相环(PLL)电路可能会很复杂，除非工程师深入了解PLL理论以及逻辑开发过程。本文介绍PLL设计的简易方法，并提供有效、符合逻辑的方法调试PLL问题。
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甚至在真实条件下通过ADIsimPLL仿真PLL电路时，结果也可能是不够的，除非真实参考以及压控振荡器(VCO)的模型文件已包含在内。如果未包含在内，则仿真器将使用理想参考和VCO进行仿真。若要求高仿真精度，则花在编辑VCO和基准电压源库文件上的时间将会是值得的。

PLL使用与放大器类似的负反馈控制系统，因此环路带宽和相位裕量的概念此处依然适用。通常，环路带宽应设为PFD频率的十分之一以下，且相位裕量的安全范围为45°至60°。此外，应当进行针对真实电路板的仿真和原型制作，以便确认电路符合PCB 布局对寄生元件、电阻容差和环路滤波器电容的规格要求。
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有些情况下，暂时没有合适的电阻和电容值，因此工程师必须确定是否能使用其他值。在ADIsimPLL的“工具”菜单中隐藏了一项小功能，为“BUILT”。该功能可将电阻和电容值转换为最接近的标准工程值，允许设计人员返回仿真界面，验证相位裕量和环路带宽的新数值。
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& [, K" R9 J( T寄 存 器

4 e( o$ U1 \3 a% p1 Z; qADI PLL提供很多用户可配置选项，具有灵活的设计环境，但也会产生如何确定存储在每个寄存器中数值的难题。一种方便的解决方案是使用评估软件设置寄存器值，甚至PCB 未连接仿真器时也能这么做。然后，设置文件可保存为.stp 文件，或下载至评估板中。图1显示ADIsimPLL仿真结果，提供诸如VCO内核电流等参数的建议寄存器值。



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8 S" \2 ]/ {% s0 j. E" O从热设计角度来看，可在PLL 芯片底下放置一个导热接地焊盘，确保热量流经焊盘，到达PCB和散热片。在极端环境下使用时，设计人员应计算PLL芯片和PCB的所有热参数。

有效利用MUXOUT
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2 U! _5 R' H# ?5 t% A在调试阶段开始时，若PLL不锁定，则很难确定应当从何处开始。第一步，可以使用MUXOUT查看是否所有内部功能单元都正常工作，如图2 所示。例如，MUXOUT能显示R计数器输出，指示参考输入信号良好，且寄存器内容成功写入。MUXOUT还能检查检测器的锁定状态，以及反馈环路中的N分频输出。通过这种方法，设计人员可确定每个分频器、增益或频率值是否正确。这是调试PLL 的基本过程。
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- I9 `* C( |6 u频谱分析

& z2 _, U- n& E" f6 w0 T频域中的问题更常见、更复杂。如果使用频谱分析仪，则应当首先检查PLL输出是否锁定；如果波形具有稳定的频率峰值则表示锁定。如果未锁定，则应当遵循前文所述的步骤。
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2 o* |9 W( V" m, u  `- n如果PLL已锁定，则收窄频谱分析仪带宽，以便确定相位噪声是否位于可接受范围内，并将测试结果与仿真结果对照确认。测量某些带宽条件下的相位噪声，如1kHz、10kHz和1MHz。

5 T7 Z' Z6 B- v1 i7 j" P若结果与预期不符，则应首先回顾环路滤波器设计，检查PCB板上元器件的真实值。然后，检查参考输入的相位噪声是否与仿真结果一致。PLL仿真相位噪声应与真实值接近，除非外部条件有所不同，或向寄存器写入了错误值。
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& W' q/ B1 N$ i. D% M电源噪声不可忽略，哪怕使用了低噪声LDO；因为DC-DC转换器和LDO都可能成为噪声源。LDO数据手册显示的噪声频谱密度通常会影响噪声敏感型器件，比如PLL（见图3）。为PLL选择低噪声电源，特别是需要为VCO的内核电流提供电源。
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! w7 W. z9 A2 H4 j: W$ n/ o通常PLL的输出端会有四种类型的杂散：PFD 或参考杂散、小数杂散、整数边界杂散以及外部来源杂散，如电源。所有PLL都至少有一种类型的杂散，虽然永远无法消除这些杂散，但某些情况下，在不同类型的杂散或频率之间进行取舍，可以改进整体性能。

  j- V/ H+ @1 M# ~若要避免参考杂散，请检查参考信号的上升沿。边沿过快或边沿幅度过大都会对频域造成严重的谐波现象。另外，仔细检查PCB 布局，避免输入和输出之间产生串扰。
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如需最大程度地减少小数杂散，可增加扰动，迫使小数杂散进入本底噪声中，但这样做会略为增加本底噪声。
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整数边界杂散不常见，且仅当输出频率过于接近参考频率的整数倍时才会发生，此时环路滤波器无法将其滤除。解决该问题的简便方法是重新调节参考频率方案。例如，若边界杂散发生在1100MHz处，且输出为1100.1MHz，参考输入为20 MHz，则使用100kHz 环路滤波器将参考频率改为30MHz即可消除该杂散。

+ B4 C" h$ B, Y  q结 论

调试PLL 要求对PLL具有深入的理解，并且如果在设计阶段格外仔细，就能避免很多问题。若问题发生在调试阶段，请遵循本文所述之建议，对问题逐一进行分析并逐步解决问题。


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' p8 q3 h/ N( |/ `  O6 k+ r2. 本微信群由“兴森科技-安捷伦射频高速实验室”射频负责人，《ADS2008/2011射频电路设计与仿真实例》《HFSS射频仿真设计实例大全》电子工业出版社，主编徐兴福建立。