锁相环电路设计

锁相环的原理2007-01-23 00:241．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u D（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u C（t），对振荡器输出信号的频率实施控制。

2．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u D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u C （t）。

即u C（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，u c（t）为恒定值。

1摘 要随着通信及电子系统的飞速发展，促使集成锁相环和数字锁相环突飞猛进。

本次毕业设计的主要任务是，采用0.180.18μμm CMOS 工艺，设计实现一个基于改进的鉴频鉴相器，压控振荡器，环路滤波器的全集成的CMOS PLL 锁相环电路，设计重点为PLL 锁相环电路的版图设计，设计工具为Laker 。

本论文介绍了PLL 锁相环电路的基本原理以及其完整的版图设计结果。

本次设计表明，采用该方案实现的锁相环电路主要功能工作正常，初步达到设计要求。

求。

关键词：PLL 锁相环电路，鉴频鉴相器，压控振荡器，环路滤波器，版图设计，0.180.18μμm CMOS 工艺工艺AbstractWith the development of the communications and electronic systems, the technology of the integrated PLL and digital PLL develops rapidly.The main task of graduation is to design and realize a fully integrated CMOS PLL circuit which is based on an improved phase detector, VCO, loop filter using the 0.18μm CMOS technology 0.18μm CMOS technology. The design focus on the layout of the PLL circuit, and the . The design focus on the layout of the PLL circuit, and the design tools is the Laker.This paper introduces the basic principles of PLL phase locked loop circuit and its comprehensive layout results. This design shows that the program implemented by the main function of PLL circuit is working well, and it meets the design requirements.Key words:PLL phase locked loop circuits, popularly used phase detectors, discrimination, VCO loop filter, layout design, 0.18 μm CMOS process目 录 (11)摘 要.............................................................................................................................. (22)Abstract .......................................................................................................................... (44)第1章 绪论................................................................................................................ (44)1.1 锁相技术的发展.............................................................................................. (44)1.2 锁相环路的主要特性......................................................................................1.3 PLL锁相环的应用领域 (5)第2章 基于CMOS锁相环的电路设计 (7)2.1 锁相环的基本组成.......................................................................................... (77) (77)2.2 锁相环工作原理.............................................................................................. (88)2.3 鉴相器..............................................................................................................2.3.1 鉴频鉴相器（PFD） (9) (110)2.3.2 鉴频鉴相器设计.................................................................................. (110)2.4 环路滤波器....................................................................................................11 (11)2.5 压控振荡器....................................................................................................第3章 关于COMS锁相环的版图设计 (12) (112)3.1 电路设计........................................................................................................3.2 版图设计........................................................................................................ (112) (113)3.2.1 版图设计规则检查.............................................................................. (113)3.2.2 注意事项..............................................................................................3.3 锁相环的版图设计........................................................................................ (115) (117)第4章 结束语............................................................................................................ (118)参考文献...................................................................................................................... (119)致谢..............................................................................................................................第1章 绪论1.1锁相技术的发展 锁相技术起源于20世纪30年代，提出无线电调幅信号的锁相同步检波技术。

和响应速度之间折衷考虑，相位裕度越大，系统越稳定，但是响应速度变慢。

这里取相位裕度为６０度。

同样的，这两个环路参数是估计出来的，在实际电路中仍然需要多次考虑。

最后根据上面的两个环路参数，利用第二章第六节的公式２－２２到２－２４可以计算出低通滤波器的电阻和电容的值大约为：Ｒ２＝１２Ｋ，Ｃ２＝１３８ＰＦ，ＣＩ＝１ＩＰＦ。

根据以上估算的参数可以将锁相环系统的幅频和相频特性曲线画出，如图４．２所示。

图４－２ＰＬＬ的幅频与相频特性曲线４．３锁相环系统级模型４．３．１Ｍａｔｌａｂ构造数学模型Ｍａｕａｂ是ＭａｔｈＷｏｒｋｓ公司开发的具有强大科学运算功能的数学工具，其中的软件包－－Ｓｉｍｕｌｉｎｋ是专门用于数学建模的工具。

通过建立锁相环系统的线性模型，如图４—３所示，分别建立环路中每个模块的传输函数，然后设置输入输出点。

该线性模型不仅可以分析系统的冲击响应和阶跃响应，还可以分析零极点与波特图。

冲击响应和阶越响应的模拟结果如图４－４所示，此模型可以很方便的修改参数，仿真速度非常快，模拟结果也非常直观，对于理解二阶系统的特性非常有帮助。

ｔ№啦＊血瞻呻目删ｅ，ｒａ口ａａｐ蝌ｍ鼬ｒｔｒａｒｔｉｍ＇哥缸眦ｈ恤啪蚓ｏｆ恤ＶＣＯ图４－３Ｍａｔｌａｂ建立ＰＬＬ的线性模型图４—４ＰＬＬ的阶跃响应与冲击响应４．３．２ＶｅｒｉｌｏｇＡ构造行为级模型ＶｅｒｉｌｏｇＡ语言是Ｖｅｒｉｌｏｇ硬件描述语言的扩展，主要用来描述模拟系统的结构和行为，包括电子，机械，流体力学和热力学系统等㈣。

下面给出ＶｅｒｉｌｏｇＡ描述锁相环的行为级模型，并应用Ｍｉｃａ进行仿真。

首先，以电阻的行为级模型为例，简单的说明一下ＶｅｒｉｌｏｇＡ语言的特点和应用。

、ｉｎｃｌｕｄｅ“ｄｉｓｃｉｐｌｉｎｅｓ．”’’ｉｎｃｌｕｄｅ“ｃｏｎｓｔａｎｔｓ．ｈ，’ｍｏｄｕｌｅｒｅｓ（ａ，ｂ）；ｉｎｏｕｔａ，ｂ；ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌａ，ｂ；ｐａｒａｍｅｔｅｒｒｅａｌＲ２１．Ｏ：ａｎａｌｏｇｂｅｇｉｎＩ（ａ，ｂ）＜＋Ｖ（ａ，ｂ）／Ｒ；／／Ａｌｔｅｍａｔｉｖｅ：Ｖ（ａ，ｂ）＜＋Ｉ（ａ，ｂ）４Ｒ；第五章锁相环电路设计及模拟第五章锁相环电路设计及模拟５．１整体设计本章主要是关于锁相环的晶体管级电路的设计，不但详细的分析了电路的结构，而且给出了模拟结构及相关的解释。

锁相环电路设计
锁相环电路是一种常见的电路设计，它可以用于信号的同步和频率的稳定。

锁相环电路的基本原理是将输入信号与参考信号进行比较，然后通过反馈控制来调整输出信号的相位和频率，使其与参考信号保持同步。

锁相环电路广泛应用于通信、雷达、测量等领域。

锁相环电路的基本组成部分包括相频检测器、环路滤波器、控制电压源和振荡器。

相频检测器用于将输入信号与参考信号进行比较，产生误差信号。

环路滤波器用于滤除误差信号中的高频成分，以保证系统的稳定性。

控制电压源根据误差信号的大小和方向来产生控制电压，用于调整振荡器的频率和相位。

振荡器则产生输出信号，其频率和相位受到控制电压的影响。

锁相环电路的设计需要考虑多个因素，如相频检测器的灵敏度、环路滤波器的带宽、控制电压源的响应速度等。

此外，还需要根据具体应用场景选择合适的振荡器类型和工作频率。

在实际应用中，锁相环电路的性能也受到环境温度、电源噪声等因素的影响，因此需要进行充分的测试和优化。

锁相环电路是一种重要的电路设计，它可以实现信号同步和频率稳定，广泛应用于通信、雷达、测量等领域。

在设计锁相环电路时，需要考虑多个因素，进行充分的测试和优化，以保证系统的性能和稳定性。

快速锁定锁相环的设计与分析一、FPLL的基本原理话说回来快速锁定锁相环(FPLL)这个家伙可不简单。

它是一种用于同步和锁定信号的电子设备，广泛应用于通信系统、雷达系统等领域。

那么FPLL到底是怎么工作的呢？咱们就来慢慢道来吧！首先我们要知道FPLL的基本原理就是利用一个环形反馈网络来实现信号的锁定。

这个环形网络由多个相位比较器和一个低通滤波器组成，其中相位比较器的作用是将输入信号与参考信号进行比较，从而得到误差信号。

然后误差信号经过低通滤波器处理后，再被送回到相位比较器中，形成一个闭环回路。

这样一来输入信号与参考信号之间的差异就会被不断修正，最终实现锁定。

说起来可能有点晦涩难懂，但是咱们可以用一个简单的例子来帮助大家理解。

假设我们有两个小朋友，小明和小红，他们想要一起做一件事情，但是他们的速度不一样。

这时候我们就可以利用FPLL来帮助他们同步。

我们先让小明跑一圈，然后让小红跑同样的距离。

接下来我们把小明跑的距离作为参考信号，然后让小红在相同的时间内跑完剩下的距离。

通过不断地比较和调整，我们就能让小明和小红的速度保持一致了。

1. 锁相环的工作原理锁相环是一种在数字通信和信号处理中常见的同步技术，其基本工作原理就是通过比较两个信号的相位差，来实现对一个信号的锁定。

听起来有点复杂？没关系咱们就把它比作是一个“手电筒”的游戏。

想象一下你有一个手电筒，上面有两个开关，一个是“开”，一个是“关”。

当你打开“开”的开关时手电筒就会发出光；而当你打开“关”的开关时手电筒就不会发光。

现在我们假设你把这个手电筒连接到一个电路上，并且在电路中加入一个噪声源。

噪声源会随机地改变“开”和“关”的状态也就是说，它会随机地让手电筒亮或灭。

那么问题来了，你怎么才能确定哪个开关对应着“亮”，哪个开关对应着“灭”呢？这就是锁相环的基本工作原理，通过不断地比较和调整，它就能锁定一个信号，使得我们能够准确地接收和处理这个信号。

这也是为什么锁相环在许多重要的领域里都有着广泛的应用，比如无线通信、雷达、GPS等等。

2、理论分析计算与电路设计2.1 锁相环2.1.1 锁相环原理为了使系统产生稳定的载波，本系统设计中采用锁相环路。

锁相环路是一种反馈控制电路，将参考信号与输出信号之间的相位进行比较，产生相位误差电压来调整输出信号的相位以达到与参考信号同频的目的。

由MC145152、MC12022及压控振荡器组成的锁相环路产生的载波的稳定度达到4×10-5，准确度达到3×10-5。

锁相环的总体框图如下：2.1.2 锁相环分频锁相环分频由参考分频和可编程分频组成，由MC145152及MC12022实现。

分频框图如下：图中PD 为数字鉴相器，f o 为压控振荡的输出频率（即发射频率）。

由于压控振荡器输出信号的频率比较大，MC145152无法对它直接分频，必须用MC12022芯片先进行预分频获得频率较小的信号。

MC12022内有64和63两种分频系数 本设计中采用64分频，即P=64。

MC12022输出的信号进入MC145152进行再次分频后与参考信号进行相位比较，使载波达到与参考信号相同的稳定度。

本设计中参考信号通过晶振分频得到。

参考晶振（10.24MHz晶体振荡器，频率稳定度可达10-5～10-6）从MC145152芯片的OSCIN 、OSCOUT 接入，MC145152中的÷R 计数器对参考信号进行参考分频。

本设计中设置R ＝1024，即R A0R A1R A2＝101，对晶振频率进行1024分频得到10KHz 的参考频率信号。

用4位拨码开关设置R 的值，MC145152的参考分频系数如下：MC145152芯片集分频、鉴相于一体，内有÷A 减法计数器，÷N 减法计数器进行可编程分频。

分频系数N 、A 由并行输入的数据控制，本设计中通过单片机来控制N 、A,改变N 、A 的值即可实现频道的选择。

可编程分频的原理及计算如下：根据吞咽脉冲计数的原理：吞咽脉冲计数器开始计数时，M的初值为1，÷A和÷N两个计数器被置入预置数并同时计数，当计到A（P+1）个输入脉冲（f o）时，÷A计数器计完A个预置数，M变为0；此时÷A计数器被控制信号关闭，停止计数；而÷N计数器中还有N －A个数，它继续计（N－A）P个输入脉冲后，输出一个脉冲到鉴相器PD。

锁相环电路设计锁相环电路是一种常见的电路设计，它可以用于频率合成、时钟恢复、数字信号处理等领域。

锁相环电路的基本原理是通过比较输入信号和参考信号的相位差，控制输出信号的频率和相位，使其与参考信号同步。

本文将介绍锁相环电路的基本原理、设计流程和应用。

一、锁相环电路的基本原理锁相环电路由相位检测器、环路滤波器、控制电压源和振荡器四部分组成。

其中，相位检测器用于检测输入信号和参考信号的相位差，环路滤波器用于滤波和放大控制电压，控制电压源用于产生控制电压，振荡器用于产生输出信号。

锁相环电路的工作原理如下：首先，输入信号和参考信号经过相位检测器比较，得到相位差。

然后，相位差经过环路滤波器滤波和放大，产生控制电压。

控制电压作用于振荡器，调整其频率和相位，使其与参考信号同步。

最后，输出信号经过除频器输出所需频率。

二、锁相环电路的设计流程锁相环电路的设计流程包括以下几个步骤：1. 确定输入信号和参考信号的频率范围和精度要求。

2. 选择合适的相位检测器和环路滤波器，根据输入信号和参考信号的特性确定其参数。

3. 选择合适的振荡器，根据输出信号的频率和精度要求确定其参数。

4. 设计控制电压源，根据环路滤波器的特性确定其参数。

5. 进行仿真和实验验证，调整参数，优化电路性能。

三、锁相环电路的应用锁相环电路广泛应用于频率合成、时钟恢复、数字信号处理等领域。

以下是几个典型的应用案例：1. 频率合成器：锁相环电路可以将参考信号的频率倍频或分频，产生所需的输出频率。

2. 时钟恢复器：锁相环电路可以从输入信号中恢复时钟信号，用于数字通信系统中的时钟同步。

3. 数字信号处理：锁相环电路可以用于数字信号的相位同步和频率同步，提高信号质量和可靠性。

四、总结锁相环电路是一种常见的电路设计，其基本原理是通过比较输入信号和参考信号的相位差，控制输出信号的频率和相位，使其与参考信号同步。

锁相环电路的设计流程包括确定输入信号和参考信号的特性、选择合适的电路元件、仿真和实验验证等步骤。

全数字锁相环的设计及分析1 引言锁相环是一种能使输出信号在频率和相位上与输入信号同步的电路，即系统进入锁定状态(或同步状态)后，震荡器的输出信号与系统输入信号之间相差为零，或者保持为常数。

传统的锁相环各个部件都是由模拟电路实现的，一般包括鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)、压控振荡器(VCO)三个环路基本部件。

随着数字技术的发展，全数字锁相环ADPLL(AllDigital Phase-Locked Loop)逐步发展起来。

所谓全数字锁相环，就是环路部件全部数字化，采用数字鉴相器、数字环路滤波器、数控振荡器构成锁相环路，并且系统中的信号全是数字信号。

与传统的模拟电路实现的锁相环相比，由于避免了模拟锁相环存在的温度漂移和易受电压变化影响等缺点，从而具备可靠性高、工作稳定、调节方便等优点。

全数字锁相环的环路带宽和中心频率编程可调，易于构建高阶锁相环，并且应用在数字系统中时，不需A／D及D／A转换。

在调制解调、频率合成、FM立体声解码、图像处理等各个方面得到广泛的应用。

随着电子设计自动化(EDA)技术的发展，可以采用大规模可编程逻辑器件(如CPLD或FPGA)和VHDL语言来设计专用芯片ASIC和数字系统。

本文完成了全数字锁相环的设计，而且可以把整个系统嵌入SoC，构成片内锁相环。

2全数字锁相环的体系结构和工作原理74XX297 是出现最早，应用最为广泛的一款全数字锁相环，在本文中以该芯片为参考进行设计、分析。

ADPLL基本结构如图1所示，主要由鉴相器、K变模可逆计数器、脉冲加减电路和除N计数器4部分构成。

K变模计数器和脉冲加减电路的时钟分别为Mfc和2Nfc。

这里fc是环路中心频率，一般情况下M和N都是2的整数幂。

2.1 鉴相器常用的鉴相器有两种类型：异或门(XOR)鉴相器和边沿控制鉴相器(ECPD)。

异或门鉴相器比较输入信号Fin相位和输出信号Fout相位之间的相位差θe，并输出误差信号Se作为K变模可逆计数器的计数方向信号。