6.1 锁相环路（PLL）电路基础

6.1 锁相环路（PLL）电路基础6.1.1 锁相环路的基本特性锁相环路（PLL，Phase Locked Loop）是一个相位误差控制
系统，是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。1．良好的跟踪特
性锁相环路的输出信号频率可以精确地跟踪输入参考信号频率的变化，环路锁定后，输入参考信号和输出信号之间的稳态相位误差，可以通过增加环
路增益而被控制在所需数值范围内。这种输出信号频率随输入参考信号频率变化的特性称为锁相环的跟踪特性。 2．良好的窄带滤波特性当压控振
荡器的输出频率锁定在输入参考频率上时，由于信号频率附近的干扰形式将以低频干扰的成分进入环路，绝大部分的干扰会受到环路滤波器低通特性
的抑制，从而减少了对压控振荡器的干扰作用。所以，锁相环路具有好的窄带滤波特性，环路对干扰的抑制作用就相当于一个窄带的高频带通滤波器
，其通带可以做得很窄（如在数百兆赫兹的中心频率上，带宽可做到几赫兹）。不仅如此，还可以通过改变环路滤波器的参数和环路增益来改变带宽
，作为性能优良的跟踪滤波器，用以接收信噪比低、载频漂移大的空间信号。3．良好的门限特性在调频通信中，锁相环路用做鉴频器时也有门限效
应存在。但是，在相同的调制系数的条件下，它比普通鉴相器的门限低。当锁相环路处于调制跟踪状态时，环路有反馈控制作用，跟踪相位差小，这
样，通过环路的作用，限制了跟踪的变化范围，减少了鉴相特性的非线性影响，改善了门限特性。锁相环路在通信系统中的用途极为广泛。例如，锁
相接收机、微波锁相振荡源、锁相调频器、锁相鉴频器、窄带的高频带通滤波器等。在锁相频率合成器中，锁相环路具有稳频作用，能够完成频率的
加、减、乘、除等运算，可以作为频率的加减器、倍频器、分频器等使用。目前在比较先进的模拟和数字通信系统中大都使用了锁相环路。6.1.
2 锁相环路的基本结构 锁相环路的基本结构如图6.1.1所示，由鉴相器（PD，Phase Detector）、环路滤波器（L
F，Loop Filter）和压控振荡器（VCO，Voltage Control Oscillator）三个部分组成。图6.1.1
锁相环路的基本结构1．鉴相器（PD）鉴相器（PD）用来比较输入信号ui(t)与压控振荡器输出信号uo(t)的相位，它的输出电压
ud(t)是对应于这两个信号相位差的函数。鉴相器是锁相环路的关键部件，形式很多。例如采用模拟乘法器的正弦波鉴相器，设输入信号ui(
t)为
（6.1.1）压控振荡器输出信号uo(t)为
（6.1.2）经乘法器相乘后，
其输出通过环路滤波器滤波，将其中高频分量滤除，则鉴相器的输出ud(t)为
（6.1.3）
（6.1.4）式中，
，其中，Am为乘法器的增益系数，量纲为1/V。 。鉴相器
的作用是将两个输入信号的相位差转变为输出电压ud (t)。 由式（6.1.4）可得出鉴相特性，如图6.1.2所示。图6.1.2
正弦鉴相特性曲线由于ud (t)随 呈周期性的正弦变化，因此这种鉴相器称为正弦波鉴相器。2．环路滤波器环路滤波器
的作用是将ud(t)中的高频分量滤掉，得到控制电压uc(t)，以保证环路所要求的性能。环路滤波器是低通滤波器，由线性元件电阻、电感
和电容组成，有时还包括运算放大器在内。常用的滤波器形式有RC积分滤波器、无源比例积分滤波器和有源比例积分滤波器，电路形式如图6.1
.3所示。锁相环路通过环路滤波器的作用，具有窄带滤波器特性。在一个好的设计中，这个窄带滤波器的通带能做得极窄。例如，在几十兆赫的频
率范围内，实现几十赫甚至几赫的窄带滤波，可以有效地将混进输入信号中的噪声和杂散干扰滤除掉。图6.1.3 三种常用的环路滤波器图6
.1.3（a）所示的一阶RC低通滤波器的传递函数为输出电压uc(t)与输入电压ud(t)之比，即


（6.1.5）改为拉氏变换形式，用s代替j?，得
（6.1.
6）式中，? =RC为滤波器时间常数 图6.1.3（b）所示的无源比例积分滤波器传递函数为


（6.1.7）式中， 在运算放大器的输入电阻和开环增益趋于无穷大的
条件下，图6.1.3（c）所示的有源比例积分滤波器的传递函数为
（6.1.8）式中，
。3．压控振荡器（VCO）环路滤波器的输出电压uc(t)控制压控振荡器（VCO）的振荡频率，使振荡频率向输入信号的频率靠拢
，直至两者的频率相同，使得VCO输出信号的相位和输入信号的相位保持某种关系，达到相位锁定的目的。压控振荡器的振荡电路中的压控元件，
一般采用的是变容二极管。由环路滤波器送来的控制信号电压uc (t)加在压控振荡器振荡回路中的变容二极管上，当uc (t)变化时，引
起变容二极管结电容的变化，从而使振荡器的频率发生变化。压控振荡器是一种电压/频率变换器，它在锁相环路中起着电压-相位变化的作用。在
一定范围内，?(t)与uc(t)之间为线性关系，可用下式表示，即
（6.1.9）式中，? o为压控振荡器的中心频率；K?是一个常数，其量纲为1
/s·V或Hz/V。它表示单位控制电压所引起的振荡角频率变化的大小。但在锁相环路中，需要的是它的相位变化，即把由控制电压所引起的相
位变化作为输出信号。由式（6.1.9）可求出瞬时相位?o1为
（6.1.10）所以由控制电压所引起的相位变化，即压控振荡器的输出信号为
（6.1.
11）由此可见，压控振荡器在环路中起了一次理想积分作用，因此压控振荡器是一个固有积分环节。VCO受环路滤波器输出电压uc(t)的控
制，使振荡频率向输入信号的频率靠拢，直至两者的频率相同，使得VCO输出信号的相位和输入信号的相位保持某种特定的关系，从而达到相位锁
定的目的。4．锁相环的基本工作过程锁相环的基本工作过程如下：（1）设输入信号ui(t)和本振信号（压控振荡器输出信号）uo(t)分
别是正弦和余弦信号，它们在鉴相器内进行比较，鉴相器的输出是一个与两者间的相位差成比例的电压ud(t)，一般把ud (t)称为误差电
压。（2）环路低通滤波器滤除鉴相器输出中的高频分量，然后把输出电压uc(t)加到VCO的输入端，VCO的本振信号频率随着输入电压的
变化而变化。如果二者频率不一致，则鉴相器的输出将产生低频变化分量，并通过低通滤波器使VCO的频率发生变化。只要环路设计恰当，则这种
变化将使本振信号uo(t)的频率与鉴相器输入信号ui (t)的频率一致。（3）最后，如果本振信号的频率和输入信号的频率完全一致，两
者的相位差将保持某一恒定值，则鉴相器的输出将是一个恒定直流电压（忽略高频分量），环路低通滤波器的输出也是一个直流电压，VCO的频率
将停止变化，这时，环路处于“锁定状态”。在锁相环的工作过程中，环路存在锁定、捕获和跟踪三个状态。（1）当没有输入信号时，VCO以自
由振荡频率?o振荡。如果环路有一个输入信号ui(t)，开始时，输入频率总是不等于VCO的自由振荡频率，即?i?? o 。如果?i和
? o相差不大，在适当范围内，鉴相器输出一误差电压，经环路滤波器变换后控制VCO的频率，使其输出频率变化到接近?i，而且两信号的相位误差为?（常数），这时环路锁定。（2）从信号的加入到环路锁定以前，叫做环路的捕捉过程。（3）环路锁定以后，如果输入相位?i有变化，鉴相器鉴出?i与? o之差，产生一个正比于这个相位差的电压，并反映相位差的极性，经过环路滤波器变换去控制VCO的频率，使? o改变，减少它与?i之差，直到保持?i=? o ，相位差为?，这一过程叫做环路跟踪过程。