【介绍】锁相环和射频振荡器

振荡器是许多电子系统的主要部分，应用范围从微处理器中的时钟产生到蜂窝电话中的载波合成，要求的结构和性能参数差别很大。利用CMOS工艺设计的稳定、高性能的振荡器通常嵌在相位锁定系统中。锁相环的迅速发展和广泛应用使其成为当前模拟集成电路的核心技术之一。大多数射频系统通过发射机和接收机实现射频信号的生成、传输和接收。其中，发射机用于信号的放大和调制，而接收机用于将信号馈送至混频电路，以供其进行变频和解调处理。振荡器为用于生成重复波形的电路，而且一般为带有正反馈的放大器电路。为了实现对波形重复速率的控制，振荡器采用电容器/电感器组合或电阻器/电容器组合进行选频。锁相环（PLL）为振荡器当中的重要一类，其工作原理为，将振荡器输出与参考信号相比较，并根据相位差生成控制电压，并将该控制电压“锁入”输出信号的相位中。

锁相环基本元件

锁相环是一种利用使压控振荡器（VCO）输出信号与参考输入信号的相位同步的负反馈系统，将输出信号相位锁定至输入信号相位的电子电路。锁相环由可变频率振荡器和鉴相器构成。其中，所述可变频率振荡器用于生成周期信号，而所述鉴相器用于通过将该周期信号的相位与输入周期信号的相位相比较而对所述振荡器进行调节，从而使得此两相位在反馈回路的作用下一直保持匹配。

锁相环结构，均由以下四个基本元件构成：

• 相位比较器/鉴相器：对两个输入信号的相位进行鉴定和比较，并根据这两个信号的相位差生成电压；
  

• 环路滤波器：对相位比较器的输出进行滤波，以滤除来自压控振荡器（VCO）线路的信号，并通过消除高频分量及上述相位差信号中的直流分量而提高锁相环稳定性；

• 压控振荡器（VCO）：在相位比较器/鉴相器输出的相位差信号的控制下，生成输出射频信号；

• 反馈路径：可包括分频器，用于将环路的工作频带与提供给鉴相器的输出信号频率相分离。

锁相环应用

锁相环最初用于改善电视接收机的行同步和帧同步，以提高抗干扰能力。20世纪50年代后期随着空间技术的发展，锁相环用于对宇宙飞行目标的跟踪、遥测和遥控。60年代初随着数字通信系统的发展，锁相环应用愈广，例如为相干解调提取参考载波、建立位同步等。具有门限扩展能力的调频信号锁相鉴频器也是在60年代初发展起来的。在电子仪器方面，锁相环在频率合成器和相位计等仪器中起了重要作用.

锁相环用于许多射频应用，而且是包括无线电接收机、测试设备、解调器及频率合成器在内的各种射频设备的必需部件。

锁相环技术目前的应用集中在以下三个方面：第一 信号的调制和解调；第二 信号的调频和解调；第三信号频率合成电路。

锁相环类型

• 模拟锁相环（PLL/APLL）

  APLL用于通信应用，而且分为环路滤波器频率响应与单极低通滤波器相等的一阶锁相环，以及灵活性更高且更为复杂的二阶锁相环。

• 数字锁相环（DPLL/ADPLL）

  DPLL用于非通信应用，而且分为采用数字鉴相器以及模拟VCO和环路滤波器的普通DPLL，以及所有元器件均为数字器件的全数字锁相环（ADPLL）。

• 软件锁相环（SPLL/ASPLL）

  SPLL主要用于时钟/数据恢复，由于多数可由软件实现，因此具有更高的灵活性。

• 神经元锁相环（NPLL）

  NPLL将人工神经网络（ANN）作为反馈环路的组成部分，用于大脑生物医学模拟中的自动语音识别和时间编码。

锁相环由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器组成。鉴相器用来鉴别输入信号Ui与输出信号Uo之间的相位差，并输出误差电压Ud。Ud 中的噪声和干扰成分被低通性质的环路滤波器滤除，形成压控振荡器（VCO）的控制电压Uc。Uc作用于压控振荡器的结果是把它的输出振荡频率fo拉向环路输入信号频率fi ，当二者相等时，环路被锁定 ，称为入锁。维持锁定的直流控制电压由鉴相器提供，因此鉴相器的两个输入信号间留有一定的相位差。

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