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絕對(duì)干貨！PLL芯片接口常見的11個(gè)問題以及應(yīng)對(duì)方法

2017-07-04 來源：亞德諾半導(dǎo)體字號(hào)：大中小

鎖相環(huán)（PLL）是一種反饋系統(tǒng)，其中電壓控制振蕩器（VCO）和相位比較器相互連接，使得振蕩器可以相對(duì)于參考信號(hào)維持恒定的相位角度。在使用PLL的過程中您都遇到過哪些問題呢？咱們工程師整理了PLL芯片接口方面最常見的11個(gè)問題，這里分享給大家！

1、參考晶振有哪些要求？該如何選擇參考源？

波形：可以使正弦波，也可以為方波。

功率：滿足參考輸入靈敏度的要求。

穩(wěn)定性：通常用TCXO，穩(wěn)定性要求< 2 ppm。這里給出幾種參考的穩(wěn)定性指標(biāo)和相位噪聲指標(biāo)。

頻率范圍：ADI 提供的PLL 產(chǎn)品也可以工作在低于最小的參考輸入頻率下，條件是輸入信號(hào)的轉(zhuǎn)換速率要滿足給定的要求。

建議

在PLL 頻率綜合器的設(shè)計(jì)中，我們推薦使用溫度補(bǔ)償型晶振（TCXO）。在需要微調(diào)參考的情況下使用VCXO，需要注意VCXO 靈敏度比較小，比如100Hz/V，所以設(shè)計(jì)環(huán)路濾波器的帶寬不能很大（比如200Hz），否則構(gòu)成濾波器的電容將會(huì)很大，而電阻會(huì)很小。普通有源晶振，由于其溫度穩(wěn)定性差，在高精度的頻率設(shè)計(jì)中不推薦使用。

2、能詳細(xì)解釋下控制時(shí)序、電平及要求嗎？

ADI 的所有鎖相環(huán)產(chǎn)品控制接口均為三線串行控制接口，如圖1所示。要注意的是：在ADI 的PLL 產(chǎn)品中，大多數(shù)的時(shí)序圖如圖1中上面的圖所示，該圖是錯(cuò)誤的，正確的時(shí)序圖如圖1中下面的圖所示，LE 的上升沿應(yīng)跟Clock 的上升沿對(duì)齊，而非Clock 的下降沿。

圖1、PLL 頻率合成器的串行控制接口（3 Wire Serial Interface）

控制接口由時(shí)鐘CLOCK，數(shù)據(jù)DATA，加載使能LE 構(gòu)成。加載使能LE 的下降沿提供起始串行數(shù)據(jù)的同步。串行數(shù)據(jù)先移位到PLL 頻率合成器的移位寄存器中，然后在LE 的上升沿更新內(nèi)部相應(yīng)寄存器。注意到時(shí)序圖中有兩種LE 的控制方法。

SPI 控制接口為3V/3.3V CMOS 電平。另外，需要注意的是對(duì)PLL 芯片的寄存器進(jìn)行寫操作時(shí)，需要按照一定的次序來寫，具體請(qǐng)參照芯片資料中的描述。特別地，在對(duì)ADF4360 的寄存器進(jìn)行操作時(shí)，注意在寫控制寄存器和N計(jì)數(shù)器間要有一定的延時(shí)。

控制信號(hào)的產(chǎn)生，可以用MCU，DSP，或者FPGA。產(chǎn)生的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)一定要干凈，過沖小。當(dāng)用FPGA 產(chǎn)生時(shí)，要避免競(jìng)爭(zhēng)和冒險(xiǎn)現(xiàn)象，防止產(chǎn)生毛刺。如果毛刺無法避免，可以在數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線上并聯(lián)一個(gè)10~47pF 的電容，來吸收這些毛刺。

3、控制多片PLL 芯片時(shí)，串行控制線是否可以復(fù)用？

一般地，控制PLL 的信號(hào)包括：CE，LE，CLK，DATA。CLK 和DATA 信號(hào)可以共用，即占用2 個(gè)MCU 的IO 口，用LE 信號(hào)來控制對(duì)哪個(gè)PLL 芯片進(jìn)行操作。多個(gè)LE 信號(hào)也可以共用一個(gè)MCU 的IO 口，這時(shí)需要用CE 信號(hào)對(duì)芯片進(jìn)行上電和下電的控制。

4、可否簡(jiǎn)要介紹環(huán)路濾波器參數(shù)的設(shè)置？

ADIsimPLL V3.3 使應(yīng)用工程師從繁雜的數(shù)學(xué)計(jì)算中解脫出來。我們只要輸入設(shè)置環(huán)路濾波器的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，ADIsimPLL 就可以自動(dòng)計(jì)算出我們所需要的濾波器元器件的數(shù)值。這些參數(shù)包括，鑒相頻率PFD，電荷泵電流Icp，環(huán)路帶寬BW，相位裕度，VCO 控制靈敏度Kv，濾波器的形式（有源還是無源，階數(shù)）。計(jì)算出的結(jié)果往往不是我們?cè)谑忻嫔夏軌蛸I到的元器件數(shù)值，只要選擇一個(gè)最接近元器件的就可以。

· 通常環(huán)路的帶寬設(shè)置為鑒相頻率的1/10 或者1/20。
· 相位裕度設(shè)置為45 度。
· 濾波器優(yōu)先選擇無源濾波器。

濾波器開環(huán)增益和閉環(huán)增益以及相位噪聲圖之間的關(guān)系。閉環(huán)增益的轉(zhuǎn)折頻率就是環(huán)路帶寬。相位噪聲圖上，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)于相位噪聲曲線的轉(zhuǎn)折頻率。如果設(shè)計(jì)的鎖相環(huán)噪聲太大，就會(huì)出現(xiàn)頻譜分析儀上看到的轉(zhuǎn)折頻率大于所設(shè)定的環(huán)路帶寬。

5、環(huán)路濾波器采用有源濾波器還是無源濾波器？

有源濾波器因?yàn)椴捎梅糯笃鞫朐肼暎圆捎糜性礊V波器的PLL 產(chǎn)生的頻率的相位噪聲性能會(huì)比采用無源濾波器的PLL 輸出差。因此在設(shè)計(jì)中我們盡量選用無源濾波器。其中三階無源濾波器是最常用的一種結(jié)構(gòu)。PLL 頻率合成器的電荷泵電壓Vp 一般取5V 或者稍高，電荷泵電流通過環(huán)路濾波器積分后的最大控制電壓低于Vp 或者接近Vp。

如果VCO/VCXO 的控制電壓在此范圍之內(nèi)，無源濾波器完全能夠勝任；如果VCO/VCXO 的控制電壓超出了Vp，或者非常接近Vp 的時(shí)候，就需要用有源濾波器。在對(duì)環(huán)路誤差信號(hào)進(jìn)行濾波的同時(shí)，也提供一定的增益，從而調(diào)整VCO/VCXO控制電壓到合適的范圍。

那么如何選擇有源濾波器的放大器呢？這類應(yīng)用主要關(guān)心一下的技術(shù)指標(biāo)：

· 低失調(diào)電壓（Low Offset Voltage）[通常小于500uV]
· 低偏流（Low Bias Current）[通常小于50pA]

如果是單電源供電，需要考慮使用軌到軌（Rail-to-Rail）輸出型放大器。

6、PLL 對(duì)于VCO 有什么要求？ 如何設(shè)計(jì)VCO 輸出功率分配器？

選擇VCO 時(shí)，盡量選擇VCO 的輸出頻率對(duì)應(yīng)的控制電壓在可用調(diào)諧電壓范圍的中點(diǎn)。選用低控制電壓的VCO 可以簡(jiǎn)化PLL 設(shè)計(jì)。

VCO 的輸出通過一個(gè)簡(jiǎn)單的電阻分配網(wǎng)絡(luò)來完成功率分配。從VCO 的輸出看到電阻網(wǎng)絡(luò)的阻抗為18+(18+50)//(18+50)=52ohm。形成與VCO 的輸出阻抗匹配。下圖中ABC 三點(diǎn)功率關(guān)系。B，C 點(diǎn)的功率比A 點(diǎn)小6dB。

如下圖是ADF4360-7 輸出頻率在850MHz~950MHz 時(shí)的輸出匹配電路，注意該例是匹配到50 歐的負(fù)載。如果負(fù)載是75 歐，那么匹配電路無需改動(dòng)，ADF4360-7 的輸出級(jí)為電流源，負(fù)載值的小變動(dòng)不會(huì)造成很大的影響，但要注意差分輸出端的負(fù)載需相等。

7、如何設(shè)置電荷泵的極性？

在下列情況下，電荷泵的極性為正。

· 環(huán)路濾波器為無源濾波器，VCO 的控制靈敏度為正（即，隨著控制電壓的升高，輸出頻率增大）。

在下列情況下，電荷泵的極性為負(fù)。

· 環(huán)路濾波器為有源濾波器，并且放大環(huán)節(jié)為反相放大；VCO 的控制靈敏度為正。
· 環(huán)路濾波器為無源濾波器，VCO 的控制靈敏度為負(fù)。
· PLL分頻應(yīng)用，濾波器為無源型。即參考信號(hào)直接RF 反饋分頻輸入端，VCO 反饋到參考輸入的情況。

8、鎖定指示電路如何設(shè)計(jì)？

PLL 鎖定指示分為模擬鎖定指示和數(shù)字鎖定指示兩種。

鑒相器和電荷泵原理圖

數(shù)字鎖定指示：

當(dāng)PFD 的輸入端連續(xù)檢測(cè)到相位誤差小于15ns 的次數(shù)為3(5)次，那么PLL 就會(huì)給出數(shù)字鎖定指示。

數(shù)字鎖定指示的工作頻率范圍：通常為5kHz~50MHz。在更低的PFD 頻率上，漏電流會(huì)觸發(fā)鎖定指示電路；在更高的頻率上，15ns 的時(shí)間裕度不再適合。在數(shù)字鎖定指示的工作頻段范圍之外，推薦使用模擬鎖定指示。

模擬鎖定指示：

對(duì)電荷泵輸入端的Up 脈沖和Down 脈沖進(jìn)行異或處理后得出的脈沖串。所以當(dāng)鎖定時(shí)，鎖定指示電路的輸出為帶窄負(fù)脈沖串的高電平信號(hào)。圖為一個(gè)典型的模擬鎖定指示輸出（MUXOUT 輸出端單獨(dú)加上拉電阻的情況）。

模擬鎖定指示的輸出級(jí)為N 溝道開漏結(jié)構(gòu)，需要外接上拉電阻，通常為10KOhm~160kohm。我們可以通過一個(gè)積分電路（低通濾波器）得到一個(gè)平坦的高電平輸出，如圖所是的藍(lán)色框電路。

誤鎖定的一個(gè)條件：

參考信號(hào)REFIN信號(hào)丟失。當(dāng)REFIN信號(hào)與PLL頻合器斷開連接時(shí)，PLL顯然會(huì)失鎖；然而，ADF41xx 系列的PLL，其數(shù)字鎖定指示用REFIN 時(shí)鐘來檢查是否鎖定，如果PLL 先前已經(jīng)鎖定，REFIN 時(shí)鐘突然丟失，PLL 會(huì)繼續(xù)顯示鎖定狀態(tài)。解決方法是使用模擬鎖定指示。

當(dāng)VCXO 代替VCO 時(shí)，PLL 常常失鎖的原因。以ADF4001 為例說明。VCXO 的輸入阻抗通常較小（相對(duì)于VCO 而言），大約為100kohm。這樣VCXO 需要的電流必須由PLL 來提供。PFD=2MHz，Icp=1.25mA，Vtune=4V，VCXO 輸入阻抗=100kohm，VCXO 控制口電流=4/100k=40uA。在PFD 輸入端，用于抵消VCXO 的輸入電流而需要的靜態(tài)相位誤差

16ns>15ns，所以，數(shù)字鎖定指示為低電平。

解決方法1，使用模擬鎖定指示。

解決方法2，使用更高的電荷泵電流來減小靜態(tài)相位誤差。增大環(huán)路濾波器電容，使放電變緩。

9、PLL 對(duì)射頻輸入信號(hào)有什么要求？

頻率指標(biāo)：可以工作在低于最小的射頻輸入信號(hào)頻率上，條件是RF 信號(hào)的Slew Rate 滿足要求。

例如，ADF4106 數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)定最小射頻輸入信號(hào)500MHz，功率為-10dBm，這相應(yīng)于峰峰值為200mV，slew rate=314V/us。如果您的輸入信號(hào)頻率低于500MHz，但功率滿足要求，并且slew rate 大于314V/us，那么ADF4106 同樣能夠正常工作。通常LVDS 驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)換速率可以很容易達(dá)到1000V/us。

10、PLL 芯片對(duì)電源的要求有哪些？

要求PLL 電源和電荷泵電源具有良好的退耦，相比之下，電荷泵的電源具有更加嚴(yán)格的要求。具體實(shí)現(xiàn)如下：

在電源引腳出依次放置0.1uF，0.01uF，100pF 的電容。最大限度濾除電源線上的干擾。大電容的等效串聯(lián)電阻往往較大，而且對(duì)高頻噪聲的濾波效果較差，高頻噪聲的抑制需要用小容值的電容。下圖可以看到，隨著頻率的升高，經(jīng)過一定的轉(zhuǎn)折頻率后，電容開始呈現(xiàn)電感的特性。不同的電容值，其轉(zhuǎn)折頻率往往不同，電容越大，轉(zhuǎn)折頻率越低，其濾除高頻信號(hào)的能力越差。