【導讀】設計并調試鎖相環(PLL)電路可能會很復雜，除非工程師深入了解 PLL 理論以及邏輯開發過程。本文介紹 PLL 設計的簡易方法，并提供有效、符合邏輯的方法調試 PLL 問題。
仿真
如果不在特定條件下進行仿真，則估計一個 PLL 電路的規格將會是十分困難的。因此，進行 PLL 設計的第一步應當是仿真。我們建議工程師使用ADIsimPLL 軟件運行基于系統要求的仿真，包括參考頻率、步進頻率、相位噪聲（抖動）和頻率雜散限制。
許多工程師面對如何選擇參考頻率會感到無所適從，但其實參考頻率和輸出頻率步進之間的關系是很簡單的。采用整數 N 分頻 PLL，則輸出頻率步進等于鑒頻鑒相器(PFD)輸入端的頻率，該頻率等于參考分頻器 R 分頻后的參考頻率。采用小數 N 分頻 PLL，則輸出頻率步進等于 PFD 輸入頻率除以 MOD 值，因此，您可以使用較高的參考頻率，獲得較小的頻率步進。決定使用整數 N 分頻或是小數 N 分頻時，可犧牲相位噪聲性能換取頻率步進，即：較低的 PFD 頻率具有更好的輸出頻率分辨率，但相位噪聲性能下降。
例如，表1顯示若要求具有固定頻率輸出以及極大的頻率步進，則應首選整數 N 分頻 PLL（如ADF4106），因為它具有更佳的總帶內相位噪聲。相反，若要求具有較小的頻率步進，則應首選小數 N 分頻 PLL（如ADF4153）,因為它的總噪聲性能優于整數 N 分頻 PLL。相位噪聲是一個基本的 PLL 規格，但數據手冊無法針對所有可能的應用指定性能參數。因此，先仿真，然后進行實際硬件的測試就變得極為關鍵。
表1. 相位噪聲確定 PLL 的選擇
甚至在真實條件下通過 ADIsimPLL 仿真 PLL 電路時，結果也可能是不夠的，除非真實參考以及壓控振蕩器(VCO)的模型文件已包含在內。如果未包含在內，則仿真器將使用理想參考和VCO 進行仿真。若要求高仿真精度，則花在編輯 VCO 和基準電壓源庫文件上的時間將會是值得的。
PLL 使用與放大器類似的負反饋控制系統，因此環路帶寬和相位裕量的概念此處依然適用。通常，環路帶寬應設為 PFD 頻率的十分之一以下，且相位裕量的安全范圍為 45°至 60°。此外，應當進行針對真實電路板的仿真和原型制作，以便確認電路符合 PCB 布局對寄生元件、電阻容差和環路濾波器電容的規格要求。
有些情況下，暫時沒有合適的電阻和電容值，因此工程師必須確定是否能使用其他值。在 ADIsimPLL 的"工具"菜單中隱藏了一項小功能，稱為"BUILT"。該功能可將電阻和電容值轉換為最接近的標準工程值，允許設計人員返回仿真界面，驗證相位裕量和環路帶寬的新數值。
寄存器
ADI PLL 提供很多用戶可配置選項，具有靈活的設計環境，但也會產生如何確定存儲在每個寄存器中數值的難題。一種方便的解決方案是使用評估軟件設置寄存器值，甚至 PCB 未連接仿真器時也能這么做。然后，設置文件可保存為.stp 文件，或下載至評估板中。圖 1 顯示 ADIsimPLL 仿真結果，提供諸如VCO 內核電流等參數的建議寄存器值。
圖 1. ADIsimPLL 仿真軟件提供寄存器設置的建議值
原理圖和 PCB 布局
設計完整 PLL 電路時，需牢記幾點。首先，重要的是匹配 PLL的參考輸入端口阻抗，將反射降至最低。另外，保持電容與輸入端口并聯組合值盡量小，因為它會降低輸入信號的壓擺率，增加 PLL 環路噪聲。更多詳細信息請參考 PLL 數據手冊上的輸入要求。
其次，將模擬電源與數字電源相分離，最大程度減少它們之間的干擾。VCO 電源特別敏感，因此此處的雜散和噪聲可輕易耦合至 PLL 輸出。更多注意事項以及詳細信息，請參考利用低噪聲 LDO 調節器為小數 N 分頻壓控振蕩器(VCO)供源，以降低相位噪聲 (CN-0147)
再則，用于組成環路濾波器的電阻和電容應當放置在盡可能離PLL 芯片近的地方，并使用仿真文件中的建議值。若您在改變環路濾波器元器件值之后發現難以鎖定信號，請嘗試使用最初用于評估板的數值。
對于 PCB 布局而言，其主要原則是將輸入與輸出分離，確保數字電路不會干擾模擬電路。例如，若 SPI 總線太過靠近參考輸入或 VCO 輸出，則訪問 PLL 寄存器時，VCO 輸出會在 PLL輸出端產生雜散現象。
從熱設計角度來看，可在 PLL 芯片底下放置一個導熱接地焊盤，確保熱量流經焊盤，到達 PCB 和散熱片。在極端環境下使用時，設計人員應計算 PLL 芯片和 PCB 的所有熱參數。
有效利用 MUXOUT
在調試階段開始時，若 PLL 不鎖定，則很難確定應當從何處開始。第一步，可以使用 MUXOUT 查看是否所有內部功能單元都正常工作，如圖 2 所示。例如，MUXOUT 能顯示 R 計數器輸出，指示參考輸入信號良好，且寄存器內容成功寫入。MUXOUT 還能檢查檢測器的鎖定狀態，以及反饋環路中的 N分頻輸出。通過這種方法，設計人員可確定每個分頻器、增益或頻率值是否正確。這是調試 PLL 的基本過程。
圖 2. MUXOUT 引腳輔助 PLL 進行調試
時域分析
調試 PLL 時，使用時域分析，演示寫入串行外設接口(SPI)總線上的寄存器數據是正確的。雖然讀寫操作需要的時間比較長，但請確保 SPI 時序符合規格，且不同線路之間的串擾減小到最低程度。
應當參考 PLL 數據手冊中的時序圖，以便確定數據建立時間、時鐘速度、脈沖寬度和其他規格。確保留有足夠的裕量，以便在所有條件下都滿足時序要求。使用示波器檢查時域內的時鐘和數據邊沿位于正確位置。若時鐘和數據線路太過接近，則串擾會使時鐘能量通過 PCB 布線耦合至數據線路。這種耦合會導致數據線路在時鐘的上升沿產生毛刺。因此，讀寫寄存器時需檢查這兩條線路，尤其當寄存器出現錯誤時。確保線路電壓滿足表 2 的規格。
表 2. 邏輯輸入
頻譜分析
頻域中的問題更常見、更復雜。如果使用頻譜分析儀，則應當首先檢查 PLL 輸出是否鎖定；如果波形具有穩定的頻率峰值則表示鎖定。如果未鎖定，則應當遵循前文所述的步驟。
如果 PLL 已鎖定，則收窄頻譜分析儀帶寬，以便確定相位噪聲是否位于可接受范圍內，并將測試結果與仿真結果對照確認。測量某些帶寬條件下的相位噪聲，如 1 kHz、10 kHz 和 1 MHz。
若結果與預期不符，則應首先回顧環路濾波器設計，檢查 PCB板上元器件的真實值。然后，檢查參考輸入的相位噪聲是否與仿真結果一致。PLL 仿真相位噪聲應與真實值接近，除非外部條件有所不同，或向寄存器寫入了錯誤值。
電源噪聲不可忽略，哪怕使用了低噪聲 LDO；因為 DC-DC 轉換器和 LDO 都可能成為噪聲源。LDO 數據手冊顯示的噪聲頻譜密度通常會影響噪聲敏感型器件，比如 PLL（見圖 3）。為PLL選擇低噪聲電源，特別是需要為VCO的內核電流提供電源。
圖 3. LDO 噪聲頻譜密度
通常 PLL 的輸出端會有四種類型的雜散：PFD 或參考雜散、小數雜散、整數邊界雜散以及外部來源雜散，如電源。所有PLL 都至少有一種類型的雜散，雖然永遠無法消除這些雜散，但某些情況下，在不同類型的雜散或頻率之間進行取舍，可以改進整體性能。
若要避免參考雜散，請檢查參考信號的上升沿。邊沿過快或邊沿幅度過大都會對頻域造成嚴重的諧波現象。另外，仔細檢查PCB 布局，避免輸入和輸出之間產生串擾。
如需最大程度地減少小數雜散，可增加擾動，迫使小數雜散進入本底噪聲中，但這樣做會略為增加本底噪聲。
整數邊界雜散不常見，且僅當輸出頻率過于接近參考頻率的整數倍時才會發生，此時環路濾波器無法將其濾除。解決該問題的簡便方法是重新調節參考頻率方案。例如，若邊界雜散發生在 1100 MHz 處，且輸出為 1100.1 MHz，參考輸入為 20 MHz，則使用 100 kHz 環路濾波器將參考頻率改為 30 MHz 即可消除該雜散。
結論
調試 PLL 要求對 PLL 具有深入的理解，并且如果在設計階段格外仔細，就能避免很多問題。若問題發生在調試階段，請遵循本文所述之建議，對問題逐一進行分析并逐步解決問題。更多信息，請參考網站上的豐富信息資源：www.analog.com/pll.
參考電路
Curtin, Mike, and Paul O’Brien.“Phase-Locked Loops for High-Frequency Receivers and Transmitters—Part 1.” Analog Dialogue, Volume 33, Number 1, 1999.
Curtin, Mike, and Paul O’Brien. “Phase-Locked Loops for High-Frequency Receivers and Transmitters—Part 2.” Analog Dialogue, Volume 33, Number 1, 1999.
Curtin, Mike, and Paul O’Brien, “Phase-Locked Loops for High-Frequency Receivers and Transmitters—Part 3.” Analog Dialogue, Volume 33, Number 1, 1999.
CN0147 Circuit Note. Powering a Fractional-N Voltage Controlled Oscillator (VCO) with Low Noise LDO Regulators for Reduced Phase Noise.
Fox, Adrian. “PLL Synthesizers (Ask the Applications Engineer—30).” Analog Dialogue, Volume 36, Number 3, 2002.
MT-086 Tutorial. Fundamentals of Phase-Locked Loops (PLLs).
推薦閱讀：
