半导体集成电路模拟锁相环测试方法的基本原理

锁相的意义是相位同步的自动控制，能够完成两个电信号相位同步的自动控制闭环系统叫做锁相环，简称PLL。它广泛应用于广播通信、频率合成、自动控制及时钟同步等技术领域。

一个典型的锁相环（PLL）系统，是由鉴相器（PD），压控荡器（VCO）和低通滤波器（LPF）三个基本电路组成，如图1，

图1

一、鉴相器（PD）

构成鉴相器的电路形式很多，这里仅介绍实验中用到的两种鉴相器。

1．异或门鉴相器 异或门的逻辑真值表示于表1，图2是逻辑符号图。

从表1可知，如果输入端A和B分别送入占空比为50%的信号波形， 则当两者存在相位差Dθ时，输出端F的波形的占空比与Δθ有关，见图3。将F输出波形通过积分器平滑，则积分器输出波形的平均值，它同样与Δθ有关，这样，我们就可以利用异或门来进行相位到电压的转换，构成相位检出电路。于是经积分器积分后的平均值（直流分量）为：U = Vdd * Δ θ/π (1)

不同的Δθ，有不同的直流分量Vd。Δθ与V的关系可用图4来描述。从图中可知，两者呈简单线形关系：Ud = Kd *Δθ (2)

Kd 为鉴相灵敏度

图3

图4

2．边沿触发鉴相器 前已述及，异或门相位比较器在使用时要求两个作比较的信号必须是占空比为50%的波形，这就给应用带来了一些不便。而边沿触发鉴相器是通过比较两输入信号的上跳边沿（或下跳边沿）来对信号进行鉴相，对输入信号的占空比不作要求。

二、压控振荡器（VCO）

压控振荡器是振荡频率ω0受控制电压U­F（t）控制的振荡器，即是一种电压——频率变换器。VCO的特性可以用瞬时频率ω0（t）与控制电压U­F（t）之间的关系曲线来表示。未加控制电压时（但不能认为就是控制直流电压为0，因控制端电压应是直流电压和控制电压的叠加），VCO的振荡频率，称为自由振荡频率ωom，或中心频率，在VCO线性控制范围内，其瞬时角频率可表示为：

ωo（t）= ωom + K0 UF（t）

式中，K0——VCO控制特性曲线的斜率，常称为VCO的控制灵敏度，或称压控灵敏度。

三、环路滤波器

这里仅讨论无源比例积分滤波器如图5。其传递函数为：

式中：τ1 = R1 C

τ2 = R2 C

图5

四、锁相环的相位模型及传输函数

图6

图6为锁相环的相位模型。要注意一点，锁相环是一个相位反馈系统，在环路中流通的是相位，而不是电压。因此研究锁相环的相位模型就可得环路的完整性能。

由图6可知：

（1）当A点断开环路时，锁相环的开环相位传输函数为

KL(S)=

（2）环路闭合时的相位传输函数为

H（S）

（3）环路闭合时的相位误差传输函数为

He（S）=

当环路滤波器选用无源比例积分滤波器时，经推导可得：

H（S）=

式中，，τ1 = R1 C ,τ2 = R2 C

2x

x= , K = Kd Ko

同样可得：

He(S)=

ωn称为系统的固有频率或自然角频率；

x 称为系统的阻尼系数。

要注意的是上面讨论中的ω指的是输入信号相位的变化角频率，而不是输入信号本身的角频率。如输入信号是调频信号，则ω指的是调制信号的角频率而不是载波的角频率。

五、锁相环的同步与捕捉

锁相环的输出频率（或VCO的频率）ωo能跟踪输入频率ωi的工作状态，称为同步状态，在同步状态下，始终有ωo = ωi。在锁相环保持同步的条件下，输入频率ωi的最大变化范围，称为同步带宽，用DωH 表示。超出此范围，环路则失锁。

失锁时，ωo≠ωi，如果从两个方向设法改变ωi，使ωi向ωo靠拢，进而使Δωo =（ωi－ωo）↓，当Δωo小到某一数值时，环路则从失锁进入锁定状态。这个使PLL经过频率牵引最终导致入锁的频率范围称为捕捉带Δωp。同步带ΔωH，捕捉带Δωp 和VCO 中心频率ωo的 关系如图7。

图7

一.锁相环的基本组成

许多电子设备要正常工作，通常需要外部的输入信号与内部的振荡信号同步，利用锁相环路就可以实现这个目的。

锁相环路是一种反馈控制电路，简称锁相环(PLL)。锁相环的特点是：利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。

因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。

锁相环通常由鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)和压控振荡器(VCO)三部分组成，锁相环组成的原理框图如图8-4-1所示。

锁相环中的鉴相器又称为相位比较器，它的作用是检测输入信号和输出信号的相位差，并将检测出的相位差信号转换成uD(t)电压信号输出，该信号经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压uC(t)，对振荡器输出信号的频率实施控制。

二.锁相环的工作原理

锁相环中的鉴相器通常由模拟乘法器组成，利用模拟乘法器组成的鉴相器电路如图8-4-2所示。

鉴相器的工作原理是：设外界输入的信号电压和压控振荡器输出的信号电压分别为：

(8-4-1)

(8-4-2)

式中的ω0为压控振荡器在输入控制电压为零或为直流电压时的振荡角频率，称为电路的固有振荡角频率。则模拟乘法器的输出电压uD为：

用低通滤波器LF将上式中的和频分量滤掉，剩下的差频分量作为压控振荡器的输入控制电压uC(t)。即uC(t)为：

(8-4-3)

式中的ωi为输入信号的瞬时振荡角频率，θi(t)和θO(t)分别为输入信号和输出信号的瞬时位相，根据相量的关系可得瞬时频率和瞬时位相的关系为：

即

(8-4-4)

则，瞬时相位差θd为

(8-4-5)

对两边求微分，可得频差的关系式为

(8-4-6)

上式等于零，说明锁相环进入相位锁定的状态，此时输出和输入信号的频率和相位保持恒定不变的状态，uc(t)为恒定值。当上式不等于零时，说明锁相环的相位还未锁定，输入信号和输出信号的频率不等，uc(t)随时间而变。

因压控振荡器的压控特性如图8-4-3所示，该特性说明压控振荡器的振荡频率ωu以ω0为中心，随输入信号电压uc(t)的变化而变化。该特性的表达式为

(8-4-6)

上式说明当uc(t)随时间而变时，压控振荡器的振荡频率ωu也随时间而变，锁相环进入“频率牵引”，自动跟踪捕捉输入信号的频率，使锁相环进入锁定的状态，并保持ω0=ωi的状态不变。

三、锁相环的应用

3.1.锁相环在调制和解调中的应用

(1)调制和解调的概念

为了实现信息的远距离传输，在发信端通常采用调制的方法对信号进行调制，收信端接收到信号后必须进行解调才能恢复原信号。

所谓的调制就是用携带信息的输入信号ui来控制载波信号uC的参数，使载波信号的某一个参数随输入信号的变化而变化。载波信号的参数有幅度、频率和位相，所以，调制有调幅(AM)、调频(FM)和调相(PM)三种。

调幅波的特点是频率与载波信号的频率相等，幅度随输入信号幅度的变化而变化;调 频波的特点是幅度与载波信号的幅度相等，频率随输入信号幅度的变化而变化;调相波的特点是幅度与载波信号的幅度相等，相位随输入信号幅度的变化而变化。调 幅波和调频波的示意图如图8-4-4所示。

上图的(a)是输入信号，又称为调制信号;图(b)是载波信号，图(c)是调幅波和调频波信号。

解调是调制的逆过程，它可将调制波uO还原成原信号ui。

3.2.锁相环在调频和解调电路中的应用

调频波的特点是频率随调制信号幅度的变化而变化。由8-4-6式可知，压控振荡 器的振荡频率取决于输入电压的幅度。当载波信号的频率与锁相环的固有振荡频率ω0相等时，压控振荡器输出信号的频率将保持ω0不变。若压控振荡器的输入信 号除了有锁相环低通滤波器输出的信号uc外，还有调制信号ui，则压控振荡器输出信号的频率就是以ω0为中心，随调制信号幅度的变化而变化的调频波信号。 由此可得调频电路可利用锁相环来组成，由锁相环组成的调频电路组成框图如图8-4-5所示。

根据锁相环的工作原理和调频波的特点可得解调电路组成框图如图8-4-6所示。

3.3.锁相环在频率合成电路中的应用

在现代电子技术中，为了得到高精度的振荡频率，通常采用石英晶体振荡器。但石英晶体振荡器的频率不容易改变，利用锁相环、倍频、分频等频率合成技术，可以获得多频率、高稳定的振荡信号输出。

输出信号频率比晶振信号频率大的称为锁相倍频器电路;输出信号频率比晶振信号频率小的称为锁相分频器电路。锁相倍频和锁相分频电路的组成框图如图8-4-7所示。