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u时钟 在芯片系统的电路设计中，最重要的就是时钟，时钟类似于人类的心脏，如果心脏停止了跳动，那人也就死亡了。对于芯片也一样，如果没有了时钟，芯片也工作不了。 由此可见时钟的重要性，那么时钟是怎么产生的呢？时钟可以看成周期性的0与1信号变化，而这种周期性的变化可以看成振荡。因此，振荡电路成为了时钟的来源。 u振荡电路 能够产生振荡电流的电路叫做振荡电路，振荡电路的形成可以分成以下两类： 1.石英晶体的压电效应：当晶片外部施加一个变化的电场时，晶体会产生机械变形，而晶片两侧施加机械压力又会产生电场，这就是压电效应。利用压电效应，电场与机械形变对晶体的相互作用形成振荡。它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关，可以做得精确，因此其振荡电路可以获得很高的频率稳定度。 2.电容Capacity的充电放电：电容能够存储电能，而充放电的电流方向是反的，形成振荡。因此，可通过电压等控制振荡电路的频率。常见的电容振荡电路有LC振荡电路和RC振荡电路。 石英晶体的频率最稳定，LC电路次之，RC电路最差。因此在大部分电路系统设计中采用晶体振荡器（晶振）作为时钟源。 uPLL 晶振的频率虽然稳定，但是频率无法做到很高（成本与工艺限制），因此芯片中需要产生高频时钟就需要一个PLL电路，进行分频倍频产生系统所需要的时钟； PLL：phase Locked Loop，是一种反馈控制电路，利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位，实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，一般用于闭环跟踪电路。 为了对参考信号与内部振荡信号进行频率比较，二者的相位必须相同且锁住，任何时间都不能改变，这样才能方便的比较频率，所以叫做锁相（Phase Locked）。为了快速稳定输出频率信号，整个系统加入反馈称为闭环，所以叫环（Loop）。 目前PLL广泛应用于信号处理、时钟同步、倍频、频率综合等领域，电子电路系统尤其是数模混合电路中应用非常广泛，ASIC、FPGA、SOC等芯片都嵌入了PLL电路； u模拟锁相环 模拟锁相环主要由相位参考提取电路、压控振荡器、相位比较器、控制电路等模拟电路组成。压控振荡器输出的是与需要频率很接近的等幅信号，把它和由相位参考提取电路从信号中提取的参考信号同时送入相位比较器，用比较形成的误差通过控制电路使压控振荡器的频率向减小误差绝对值的方向连续变化，实现锁相，从而达到同步。 u数字锁相环 数字锁相环主要由相位参考提取电路、晶体振荡器、分频器、相位比较器、脉冲补抹门等数字电路组成。分频器输出的信号频率与所需频率十分接近，把它和从信号中提取的相位参考信号同时送入相位比较器，比较结果示出本地频率高了时就通过补抹门抹掉一个输入分频器的脉冲，相当于本地振荡频率降低；相反，若示出本地频率低了时就在分频器输入端的两个输入脉冲间插入一个脉冲，相当于本地振荡频率上升，从而达到同步。 概括来讲，模拟锁相环和数字锁相环的组成框架基本一样，由鉴频鉴相器、低通滤波器、压控振荡器、反馈回路等电路组成。 PLL的基本组成电路如下图所示：
工作原理：当锁相环开始工作时，输入参考信号的频率Fref与压控振荡器的固有振荡频率Fout总是不相同的。这一固有频率差必然引起它们之间的相位差不断变化，并不断跨越2π角。由于鉴相器特性是以相位差2π为周期的，因此鉴相器输出的误差电压总是在某一范围内摆动。这个误差电压通过环路滤波器变成控制电压加到压控振荡器上，使压控振荡器的频率Fout趋向于参考信号的频率Fref，直到压控振荡器的频率变化到与输入参考信号的频率相等，环路就在这个频率上稳定下来。两个频率之间的相位差不随时间变化而是一个恒定的常数，这时环路就进入“锁定”状态。 当环路已处于锁定状态时，如果输入参考信号的频率和相位发生变化，通过环路的控制作用，压控振荡器的频率和相位能不断跟踪输入参考信号频率的变化而变化，使环路重新进入锁定状态，这种动态过程称为环路的“跟踪”过程。而环路不处于锁定和跟踪状态，这个动态过程称为“失锁”过程。 p鉴频鉴相器PFD（Phase Frequency Detector）： 对输入的参考信号和反馈回路的信号进行频率和相位的比较，输出一个代表两者差异的信号至低通滤波器； 鉴相器的电路种类很多，大致可以分为四种常用类型： l乘法鉴相器：一般应用在模拟锁相环(LPLL)中，即线性锁相环，鉴相的范围是 [+90°，-90°]； l异或门鉴相器：较多应用于数字锁相环中，鉴相范围同为[+90°，-90°]中； lJK 触发器型鉴相器：这种鉴相器由边沿触发，利用边沿间的间隔进行鉴相，相位误差为[+180°，-180°]； l鉴频鉴相器(phase frequency detector)：其优势就在于失锁时，它的角频率容易描述。这种角频率的描述就可以实现鉴频的功能。鉴相范围为[+360°，-360°] 角频率：单位时间内变化的相角弧度值，常用符号ω，与频率成正比，是对应频率的2π倍， ω= 2πf； p低通滤波器LPF（ Low Pass Filter）：将输入信号中的高频成分滤除，保留直流部分送至压控振荡器。 环路滤波器的分类有 nRC积分滤波器：这是结构最简单的低通滤波器，它具有低通特性，且相位滞后。当频率很高的时候，幅度趋于零，相位滞后接近于2π； n有源比例积分滤波器：它由运算放大器组成，高增益的有源比例积分滤波器又称为理想积分滤波器。 n环路带宽 锁相环的环路带宽等于其闭环频率响应的积分。它反映了环路对噪声的抑制作用，噪声带宽越小，环路越窄，环路对输入噪声的抑制能力越强。另外，噪声带宽还与环路增益K、阻尼系数、无阻尼振荡频率等有关。 p压控振荡器VCO（ Voltage Controlled Oscillator）：输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路。 根据输入电压，输出对应频率的周期信号。利用变容二极管（偏置电压的变化会改变耗尽层的厚度，从而影响电容大小）与电感构成的LC谐振电路构成，提高变容二极管的逆向偏压，二极管内耗尽层变大，电容变小，LC电路的谐振频率提高，反之，降低逆向偏压时，二极管内电容变大，频率降低。 |
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