鎖相環（PLL）是電子系統中功能最多，最靈活，最有價值的電路配置之一，因此可用于許多應用。它用于時鐘重定時和恢復，作為頻率合成器，以及作為可調諧振蕩器，僅舉幾個例子。結果，PLL存在于許多RF設備中，包括無線電接收器和測試設備。根據其具體實現，它可以從近DC到GHz和更高頻率服務，在系統和電路中發揮許多關鍵作用。

PLL是閉環（負反饋）架構，基本PLL由這些塊組成（圖1）：

圖1：基本PLL是閉環負反饋系統，其中參考信號和VCO輸出之間的誤差用于校正該輸出;低通濾波器是建立環路動態的關鍵因素。

相位/頻率檢測器（PFD）（通常簡稱為相位檢測器PD）將輸入信號與參考信號進行比較信號并產生與其相位差成比例的誤差信號（請記住，相位和頻率密切相關，因為頻率是相位的時間導數）;相位檢測器輸出通常進入電荷泵，該電荷泵將小電流差轉換為更大的電壓

低通濾波器（LPF），其形成誤差信號的頻譜;這種濾波器的設計通常是工程科學和直觀藝術的結合，是設置PLL操作的許多動態的主要因素。

具有輸出相位/頻率的壓控振蕩器（VCO）由誤差信號控制

VCO輸出端的可選分頻器，使PLL產生參考頻率的多因子N的頻率; N可以是整數，并且許多PLL設計支持小數N非整數除法

VCO（和分頻器，如果使用的話）的輸出進入相位/頻率檢測器完成反饋循環。在操作中，誤差信號隨著相位差的增加而增加。這會以相反的方向驅動VCO相位，從而減少誤差信號。結果，輸出的相位被鎖定到另一個輸入的相位。

當PLL輸出密切跟蹤輸入并且誤差信號很小且相對穩定時，PLL被稱為“鎖相”或簡單地“鎖定”。根據應用，輸出系統中使用的PLL系統的一個或者是VCO的輸出，或者是VCO的控制信號。

PLL當然是在20世紀20年代左右使用真空管設計的。隨著20世紀70年代推出的第一個大眾市場PLL作為IC Signetics NE565（0.001 Hz至500 kHz）的運行，它們的受歡迎程度得到了顯著提升。雖然這部分顯然已經過時（并且Signetics早已不復存在），但其數據表已存檔并可在線獲取 1 。

PLL可以使用模擬，數字或混合構建信號電路。早期的PLL是全模擬的，具有模擬相位檢測器，低通濾波器，VCO和可選的分頻器;分頻器很快升級為數字分頻器，允許整數和小數整數除法。數字PLL現在用一個上下計數器代替相位檢測器，該計數器在數字域中執行類似功能，也可以使用數字濾波器，誤差信號驅動直接數字合成器作為VCO。

由于其內部結構的模塊化，廣泛使用和廣泛的應用，PLL是莎士比亞或詹姆斯喬伊斯作品的工程對應物，因為它一直是無數文章，論文和書籍的主題。他們廣泛分析了PLL的廣泛定性討論以及高度詳細的定量模型;幾乎所有這些分析都始于Gardner和Viterbi 2,3 的經典著作。

可用的技術論文涵蓋了PLL的性能，其每個功能模塊中存在多種噪聲，抖動，漂移，非線性，失真和其他電路缺陷，以及多種輸入的性能信號。其中包括檢查時域和頻域PLL操作的論文;一些專注于簡單的一階模型，而另一些則使用高度復雜的模型，捕捉PLL電路和信號的許多現實細微之處。

PLL參數滿足應用目標

與大多數模型一樣電子電路，有一些基本參數適用于幾乎所有應用，有些在特定情況下更為關鍵。通過調整相位檢測器，低通濾波器，VCO和分頻器的一些設計細節，PLL設計可以在這些參數之間權衡性能，以最好地適應應用優先級。最重要的因素包括：

工作頻率：PLL的標稱自由頻率及其VCO

工作范圍：頻率范圍PLL和VCO將運行。這包括PLL可以獲取信號并實現鎖定的引入范圍，以及一旦實現鎖定就可以保持鎖定的更寬范圍

回轉或捕獲時間：所需的時間PLL在外部操作極限處獲取并鎖定信號，在很大程度上由低通濾波器決定;窄帶寬濾波器具有更長的捕獲時間但限制了噪聲和抖動，而更寬帶寬的濾波器具有更快的響應但允許更多噪聲通過PLL系統

噪聲和抖動：添加了任何噪聲或抖動通過PLL的元件，即使有完美的信號，它也會出現在輸出端?？傮w噪聲品質因數（FOM）以dBc/Hz表示，并且有幾種不同類型的FOM

死區：當相位/頻率檢測器的兩個輸入非常接近時，檢測器可能沒有看到這個，因此不會產生錯誤輸出;這有點類似于電子滯后或機械靜摩擦

許多其他因素也可能適用于不同應用中的PLL，例如無雜散動態范圍（SFDR），失真，截距和溫度系數;完整列表可能非常冗長。

PLL IC在頻率，性能，集成方面不斷提升

為了實現給定應用的最佳性能因素組合，PLL的用戶將購買并連接單獨的模塊：階段/頻率檢測器，定制濾波器，VCO和其他元件。當然，模塊和混合設備的制造商很快就提供了完整的PLL作為完全特征化的單元，通過組合多個單獨的IC芯片和分立元件。

然而，對更高頻率的無線系統的需求，例如軟件定義的無線電，智能手機，雷達系統和許多其他應用，一直是IC供應商開發流程和設計的動力。在高性能單片PLL中。其中許多功能塊集成了大部分或全部功能模塊（取決于頻率和所需性能），從而減少了設計時間，風險，電路板空間和功耗。

例如，Hittite的HMC830LP6GE PLL（現為ADI公司的一部分）是一款小數N分頻PLL，工作頻率范圍為25 MHz至3 GHz。它針對蜂窩/4G基礎設施，中繼器和毫微微蜂窩基站以及通信測試設備，以及具有-110 dBc/Hz的超低帶內相位噪聲，-227 dBc/Hz的FOM以及低于180 fsec的均方根抖動的其他應用。

該IC包含一個集成的VCO（圖2），傳統上它是最難集成的功能，同時仍能在高頻率下實現高整體性能。與大多數PLL一樣，數據手冊中有十幾個詳細的圖表，顯示了在各種條件下PLL的許多方面的性能。圖3顯示了在各種溫度下PLL工作范圍內的集成均方根抖動。

圖2：ADI公司的HMC830LP6GE代表了最近幾年：將VCO與PLL的其余部分一起放入IC，同時擴展頻率范圍，同時不影響品質因數。

圖3：PLL數據手冊通常有許多性能圖，例如HMC830LP6GE的性能圖，它顯示rms抖動（fsec）與頻率的關系，-40?C，27?C和85?C;注意這個寬范圍內的性能穩定性。

具有集成VCO的另一個PLL是凌力爾特公司的LTC6948,370 MHz至6.39 GHz小數N分頻器，具有超低噪聲。它還包括一個參考分頻器，相位/頻率檢測器，電荷泵，分數反饋分頻器和VCO輸出分頻器。歸一化的帶內相位噪聲基底FOM為-226 dBc/Hz，寬帶輸出相位噪聲基底為-157 dBc/Hz（圖4）。

圖4：其他參數中，凌力爾特公司的LTC6948數據手冊包括歸一化的帶內相位噪聲基底FOM和寬帶輸出相位噪聲基底;后者在最高頻率下從-100 dBc/Hz下降到-157 dBc/Hz。

它支持高達425 MHz的參考輸入頻率，用于快速頻率切換。該IC非常適用于無線基站（LTE，WiMAX，W-CDMA，PCS）等應用;微波數據鏈路和軍用/安全無線電，它可以用作高速，可調諧的6.39 GHz寬帶接收機的核心（圖5）。

圖5：即使高度集成的IC也需要無源元件支持，因為這是一個高速，可調諧的6.39 GHz寬帶接收器的原理圖，基于LTC6948表示。

Maxim Integrated的MAX2870是一款23.5 MHz至6 GHz PLL，帶有小數/整數N分頻合成器和VCO（圖6）。該器件通過多個VCO實現超寬頻率，覆蓋3 GHz至6 GHz，可自動選擇或在用戶控制下（通過串行接口）;用戶提供循環過濾器和參考。相位/頻率檢測器在整數N模式下工作在105 MHz，在分數N模式下工作在50 MHz，并接受高達200 MHz的參考頻率。 PLL在多個分頻器設置中表現出優異的6.0 GHz相位噪聲性能（圖7）。應用包括無線基礎設施，測試和測量，衛星通信和無線局域網。

圖6：Maxim Integrated的MAX2870通過以下方式實現了6 GHz的額定值使用多個內部VCO，可以自動選擇或由用戶主動選擇。

圖7：PLL供應商再次提供詳細的性能規格，例如MAX2870在工作帶寬內的相位噪聲圖，具有不同的分頻因子。

盡管德州儀器LMX2492分數PLL（圖8），不包括集成VCO，它使用外部VCO在500 MHz至14 GHz范圍內工作;其FOM為-227 dBc/Hz。當與合適的環路分頻器結合使用時，它可以用作77 GHz汽車雷達系統的核心（圖9）;它還包括針對此重點應用的斜坡/啁啾生成。

圖8：德州儀器LMX2492 PLL不包含VCO，但FOM為-227 dBc/Hz時性能達到14 GHz。/p>

圖9：LMX2492針對77 GHz自動雷達等應用，具有雷達所需的積分斜坡和啁啾功能。

由于其200 MHz相位檢測器響應，該PLL還可用于非雷達應用，如移動無線，緊湊型RF，雷達模塊，微波回程，示波器，頻譜分析儀，陸地移動無線電和軟件定義無線電。盡管具有高頻額定值，但IC的工作電壓為3.15至3.45 V，功耗僅為60 mA。

除了RF性能之外，許多PLL現在還包括SPI或I 2 C串行接口，因此系統處理器可以設置和更改一些PLL參數，如增益，濾波器帶寬或范圍。這使軟件能夠在給定電路中調整這些因素以滿足不斷變化的情況，或允許在多個設計中使用相同的組件。