非常实用、超详细的锁相环常见问题解答~

问题：如何设置电荷泵的极性？

答案：在下列情况下，电荷泵的极性为正。

• 环路滤波器为无源滤波器，VCO的控制灵敏度为正（即，随着控制电压的升高，输出频率增大）。

  在下列情况下，电荷泵的极性为负。

• 环路滤波器为有源滤波器，并且放大环节为反相放大；VCO的控制灵敏度为正。
• 环路滤波器为无源滤波器，VCO的控制灵敏度为负。
• PLL分频应用，滤波器为无源型。即参考信号直接RF反馈分频输入端，VCO反馈到参考输入的情况。

问题：锁定指示电路如何设计？

答案：PLL锁定指示分为模拟锁定指示和数字锁定指示两种

鉴相器和电荷泵原理图

数字锁定指示：当PFD的输入端连续检测到相位误差小于15ns的次数为3(5)次，那么PLL就会给出数字锁定指示。

数字锁定指示的工作频率范围：通常为5kHz~50MHz。在更低的PFD频率上，漏电流会触发锁定指示电路；在更高的频率上，15ns的时间裕度不再适合。在数字锁定指示的工作频段范围之外，推荐使用模拟锁定指示。

模拟锁定指示对电荷泵输入端的Up脉冲和Down脉冲进行异或处理后得出的脉冲串。所以当锁定时，锁定指示电路的输出为带窄负脉冲串的高电平信号。图为一个典型的模拟锁定指示输出（MUXOUT输出端单独加上拉电阻的情况）。

模拟锁定指示的输出级为N沟道开漏结构，需要外接上拉电阻，通常为10KOhm~160kohm。我们可以通过一个积分电路（低通滤波器）得到一个平坦的高电平输出，如图所是的蓝色框电路。

误锁定的一个条件：参考信号REFIN信号丢失。当REFIN信号与PLL频合器断开连接时，PLL显然会失锁；然而，ADF41xx系列的PLL，其数字锁定指示用REFIN时钟来检查是否锁定，如果PLL先前已经锁定，REFIN时钟突然丢失，PLL会继续显示锁定状态。解决方法是使用模拟锁定指示。

当VCXO代替VCO时，PLL常常失锁的原因。

以ADF4001为例说明。VCXO的输入阻抗通常较小（相对于VCO而言），大约为100kohm。这样VCXO需要的电流必须由PLL来提供。PFD=2MHz， Icp=1.25mA，Vtune=4V，VCXO输入阻抗=100kohm，VCXO控制口电流=4/100k=40uA。在PFD输入端，用于抵消VCXO的输入电流而需要的静态相位误差

16ns>15ns，所以，数字锁定指示为低电平。

解决方法1，使用模拟锁定指示。

解决方法2，使用更高的电荷泵电流来减小静态相位误差。增大环路滤波器电容，使放电变缓。

问题：PLL对射频输入信号有什么要求？

答案：频率指标：可以工作在低于最小的射频输入信号频率上，条件是RF信号的Slew Rate满足要求。例如，ADF4106数据手册规定最小射频输入信号500MHz，功率为-10dBm，这相应于峰峰值为200mV，slew rate=314V/us。如果您的输入信号频率低于500MHz，但功率满足要求，并且slew rate大于314V/us，那么ADF4106同样能够正常工作。通常LVDS驱动器的转换速率可以很容易达到1000V/us。

Slew Rate = dv/dt | _max= 2 * pi * f * Vp = 314V/us

问题：PLL芯片对电源的要求有哪些？

答案：要求PLL电源和电荷泵电源具有良好的退耦，相比之下，电荷泵的电源具有更加严格的要求。具体实现如下：

在电源引脚出依次放置0.1µF，0.01µF，100pF的电容。最大限度滤除电源线上的干扰。大电容的等效串联电阻往往较大，而且对高频噪声的滤波效果较差，高频噪声的抑制需要用小容值的电容。下图可以看到，随着频率的升高，经过一定的转折频率后，电容开始呈现电感的特性。不同的电容值，其转折频率往往不同，电容越大，转折频率越低，其滤除高频信号的能力越差。

另外在电源线上串联一个小电阻（18ohm）也是隔离噪声的一种常用方法。

问题：内部集成了VCO的ADF4360-x，其VCO中心频率如何设定？

答案：VCO的中心频率由下列三个因素决定。

1. VCO的电容C_VCO
2. 由芯片内部Bond Wires引入的电感L_BW
3. 外置电感L_EXT。即

其中前2项由器件决定，这样只要给定一个外置电感，就可以得到VCO的输出中心频率。VCO的控制灵敏度在相应的数据手册上给出。作为一个例子，图2和图3给出了ADF4360-7的集成VCO特性。

图2 ADF4360-7 VCO输出中心频率与外置电感的关系

图3 ADF4360-7 VCO的灵敏度与外置电感的关系

电感的选取，最好选用高Q值的。Coilcraft公司是不错的选择。市面上常见的电感基本在1nH以上。更小的电感可以用PCB导线制作。这里给出一个计算PCB引线电感的简单公式，如图4所示。

图4 导线电感的模型

问题：锁相环输出的谐波？

答案：一般地，锁相环的输出都会包含基波的谐波分量。下图为ADF4360-7输出400MHz时的2nd，3rd和4th谐波分量，在芯片资料中一般都会给出这些指标。因为与基波离得比较远，所以用一个低通滤波器就可以很好地滤除掉。

问题：如何设置电荷泵的极性？

答案：在下列情况下，电荷泵的极性为正。

• 环路滤波器为无源滤波器，VCO的控制灵敏度为正（即，随着控制电压的升高，输出频率增大）。

  在下列情况下，电荷泵的极性为负。

• 环路滤波器为有源滤波器，并且放大环节为反相放大；VCO的控制灵敏度为正。
• 环路滤波器为无源滤波器，VCO的控制灵敏度为负。
• PLL分频应用，滤波器为无源型。即参考信号直接RF反馈分频输入端，VCO反馈到参考输入的情况。

问题：锁定指示电路如何设计？

答案：PLL锁定指示分为模拟锁定指示和数字锁定指示两种

鉴相器和电荷泵原理图

数字锁定指示：当PFD的输入端连续检测到相位误差小于15ns的次数为3(5)次，那么PLL就会给出数字锁定指示。

数字锁定指示的工作频率范围：通常为5kHz~50MHz。在更低的PFD频率上，漏电流会触发锁定指示电路；在更高的频率上，15ns的时间裕度不再适合。在数字锁定指示的工作频段范围之外，推荐使用模拟锁定指示。

模拟锁定指示对电荷泵输入端的Up脉冲和Down脉冲进行异或处理后得出的脉冲串。所以当锁定时，锁定指示电路的输出为带窄负脉冲串的高电平信号。图为一个典型的模拟锁定指示输出（MUXOUT输出端单独加上拉电阻的情况）。

模拟锁定指示的输出级为N沟道开漏结构，需要外接上拉电阻，通常为10KOhm~160kohm。我们可以通过一个积分电路（低通滤波器）得到一个平坦的高电平输出，如图所是的蓝色框电路。

误锁定的一个条件：参考信号REFIN信号丢失。当REFIN信号与PLL频合器断开连接时，PLL显然会失锁；然而，ADF41xx系列的PLL，其数字锁定指示用REFIN时钟来检查是否锁定，如果PLL先前已经锁定，REFIN时钟突然丢失，PLL会继续显示锁定状态。解决方法是使用模拟锁定指示。

当VCXO代替VCO时，PLL常常失锁的原因。

以ADF4001为例说明。VCXO的输入阻抗通常较小（相对于VCO而言），大约为100kohm。这样VCXO需要的电流必须由PLL来提供。PFD=2MHz， Icp=1.25mA，Vtune=4V，VCXO输入阻抗=100kohm，VCXO控制口电流=4/100k=40uA。在PFD输入端，用于抵消VCXO的输入电流而需要的静态相位误差

16ns>15ns，所以，数字锁定指示为低电平。

解决方法1，使用模拟锁定指示。

解决方法2，使用更高的电荷泵电流来减小静态相位误差。增大环路滤波器电容，使放电变缓。

问题：PLL对射频输入信号有什么要求？

答案：频率指标：可以工作在低于最小的射频输入信号频率上，条件是RF信号的Slew Rate满足要求。例如，ADF4106数据手册规定最小射频输入信号500MHz，功率为-10dBm，这相应于峰峰值为200mV，slew rate=314V/us。如果您的输入信号频率低于500MHz，但功率满足要求，并且slew rate大于314V/us，那么ADF4106同样能够正常工作。通常LVDS驱动器的转换速率可以很容易达到1000V/us。

Slew Rate = dv/dt | _max= 2 * pi * f * Vp = 314V/us

问题：PLL芯片对电源的要求有哪些？

答案：要求PLL电源和电荷泵电源具有良好的退耦，相比之下，电荷泵的电源具有更加严格的要求。具体实现如下：

在电源引脚出依次放置0.1µF，0.01µF，100pF的电容。最大限度滤除电源线上的干扰。大电容的等效串联电阻往往较大，而且对高频噪声的滤波效果较差，高频噪声的抑制需要用小容值的电容。下图可以看到，随着频率的升高，经过一定的转折频率后，电容开始呈现电感的特性。不同的电容值，其转折频率往往不同，电容越大，转折频率越低，其滤除高频信号的能力越差。

另外在电源线上串联一个小电阻（18ohm）也是隔离噪声的一种常用方法。

问题：内部集成了VCO的ADF4360-x，其VCO中心频率如何设定？

答案：VCO的中心频率由下列三个因素决定。

1. VCO的电容C_VCO
2. 由芯片内部Bond Wires引入的电感L_BW
3. 外置电感L_EXT。即

其中前2项由器件决定，这样只要给定一个外置电感，就可以得到VCO的输出中心频率。VCO的控制灵敏度在相应的数据手册上给出。作为一个例子，图2和图3给出了ADF4360-7的集成VCO特性。

图2 ADF4360-7 VCO输出中心频率与外置电感的关系

图3 ADF4360-7 VCO的灵敏度与外置电感的关系

电感的选取，最好选用高Q值的。Coilcraft公司是不错的选择。市面上常见的电感基本在1nH以上。更小的电感可以用PCB导线制作。这里给出一个计算PCB引线电感的简单公式，如图4所示。

图4 导线电感的模型

问题：锁相环输出的谐波？

答案：一般地，锁相环的输出都会包含基波的谐波分量。下图为ADF4360-7输出400MHz时的2nd，3rd和4th谐波分量，在芯片资料中一般都会给出这些指标。因为与基波离得比较远，所以用一个低通滤波器就可以很好地滤除掉。