11个常见的PLL芯片接口问题解答

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2022-03-18 02:36:27 3

锁相环（PLL）是一种反馈系统，其中电压控制振荡器（VCO）和相位比较器相互连接，使得振荡器可以相对于参考信号维持恒定的相位角度。在使用PLL的过程中您都遇到过哪些问题呢？咱们工程师整理了PLL芯片接口方面最常见的11个问题，这里分享给大家！

参考晶振有哪些要求？该如何选择参考源？

波形： 可以使正弦波，也可以为方波。

功率： 满足参考输入灵敏度的要求。

稳定性： 通常用 TCXO，稳定性要求< 2 ppm。这里给出几种参考的稳定性指标和相位噪声指标。

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频率范围： ADI 提供的 PLL 产品也可以工作在低于最小的参考输入频率下，条件是输入信号的转换速率要满足给定的要求。

建议

在PLL 频率综合器的设计中，我们推荐使用温度补偿型晶振（TCXO）。在需要微调参考的情况下使用 VCXO，需要注意 VCXO 灵敏度比较小，比如 100Hz/V，所以设计环路滤波器的带宽不能很大（比如 200Hz），否则构成滤波器的电容将会很大，而电阻会很小。普通有源晶振，由于其温度稳定性差，在高精度的频率设计中不推荐使用。

能详细解释下控制时序、电平及要求吗？

ADI 的所有锁相环产品控制接口均为三线串行控制接口，如图 1所示。要注意的是：在 ADI 的PLL 产品中，大多数的时序图如图 1中上面的图所示，该图是错误的，正确的时序图如图 1中下面的图所示，LE 的上升沿应跟 Clock 的上升沿对齐，而非 Clock 的下降沿。

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图 1. PLL 频率合成器的串行控制接口（3 Wire Serial Interface）

控制接口由时钟 CLOCK，数据 DATA，加载使能 LE 构成。加载使能 LE 的下降沿提供起始串行数据的同步。串行数据先移位到 PLL 频率合成器的移位寄存器中，然后在 LE 的上升沿更新内部相应寄存器。注意到时序图中有两种 LE 的控制方法。

SPI 控制接口为 3V/3.3V CMOS 电平。另外，需要注意的是对 PLL 芯片的寄存器进行写操作时，需要按照一定的次序来写，具体请参照芯片资料中的描述。特别地，在对 ADF4360 的寄存器进行操作时，注意在写控制寄存器和 N计数器间要有一定的延时。

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控制信号的产生，可以用 MCU，DSP，或者 FPGA。产生的时钟和数据一定要干净，过冲小。当用 FPGA 产生时，要避免竞争和冒险现象，防止产生毛刺。如果毛刺无法避免，可以在数据线和时钟线上并联一个 10~47pF 的电容，来吸收这些毛刺。

控制多片 PLL 芯片时，串行控制线是否可以复用？

一般地，控制 PLL 的信号包括：CE，LE，CLK，DATA。CLK 和 DATA 信号可以共用，即占用2 个 MCU 的 IO 口，用 LE 信号来控制对哪个 PLL 芯片进行操作。多个 LE 信号也可以共用一个MCU 的 IO 口，这时需要用 CE 信号对芯片进行上电和下电的控制。

可否简要介绍环路滤波器参数的设置？

ADIsimPLL V3.3 使应用工程师从繁杂的数学计算中解脱出来。我们只要输入设置环路滤波器的几个关键参数，ADIsimPLL 就可以自动计算出我们所需要的滤波器元器件的数值。这些参数包括，鉴相频率 PFD，电荷泵电流 Icp，环路带宽 BW，相位裕度，VCO 控制灵敏度 Kv，滤波器的形式（有源还是无源，阶数）。计算出的结果往往不是我们在市面上能够买到的元器件数值，只要选择一个最接近元器件的就可以。

通常环路的带宽设置为鉴相频率的 1/10 或者 1/20。
相位裕度设置为 45 度。
滤波器优先选择无源滤波器。

滤波器开环增益和闭环增益以及相位噪声图之间的关系。闭环增益的转折频率就是环路带宽。相位噪声图上，该点对应于相位噪声曲线的转折频率。如果设计的锁相环噪声太大，就会出现频谱分析仪上看到的转折频率大于所设定的环路带宽。

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环路滤波器采用有源滤波器还是无源滤波器？

有源滤波器因为采用放大器而引入噪声，所以采用有源滤波器的 PLL 产生的频率的相位噪声性能会比采用无源滤波器的 PLL 输出差。因此在设计中我们尽量选用无源滤波器。其中三阶无源滤波器是最常用的一种结构。PLL 频率合成器的电荷泵电压 Vp 一般取 5V 或者稍高，电荷泵电流通过环路滤波器积分后的最大控制电压低于 Vp 或者接近 Vp。

如果VCO/VCXO 的控制电压在此范围之内，无源滤波器完全能够胜任；如果VCO/VCXO 的控制电压超出了 Vp，或者非常接近 Vp 的时候，就需要用有源滤波器。在对环路误差信号进行滤波的同时，也提供一定的增益，从而调整VCO/VCXO控制电压到合适的范围。

那么如何选择有源滤波器的放大器呢？这类应用主要关心一下的技术指标：

低失调电压（Low Offset Voltage） [通常小于 500uV]
低偏流（Low Bias Current） [通常小于 50pA]

如果是单电源供电，需要考虑使用轨到轨（Rail-to-Rail）输出型放大器。

PLL 对于 VCO 有什么要求？如何设计 VCO 输出功率分配器？

选择 VCO 时，尽量选择 VCO 的输出频率对应的控制电压在可用调谐电压范围的中点。选用低控制电压的 VCO 可以简化 PLL 设计。

VCO 的输出通过一个简单的电阻分配网络来完成功率分配。从 VCO 的输出看到电阻网络的阻抗为 18+(18+50)//(18+50)=52ohm。形成与 VCO 的输出阻抗匹配。下图中 ABC 三点功率关系。B，C 点的功率比 A 点小 6dB。

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如下图是 ADF4360-7 输出频率在 850MHz~950MHz 时的输出匹配电路，注意该例是匹配到 50 欧的负载。如果负载是 75 欧，那么匹配电路无需改动，ADF4360-7 的输出级为电流源，负载值的小变动不会造成很大的影响，但要注意差分输出端的负载需相等。

如何设置电荷泵的极性？

在下列情况下，电荷泵的极性为正。

环路滤波器为无源滤波器，VCO 的控制灵敏度为正（即，随着控制电压的升高，输出频率增大）。

在下列情况下，电荷泵的极性为负。

环路滤波器为有源滤波器，并且放大环节为反相放大；VCO 的控制灵敏度为正。
环路滤波器为无源滤波器，VCO 的控制灵敏度为负。
PLL分频应用，滤波器为无源型。即参考信号直接 RF 反馈分频输入端，VCO 反馈到参考输入的情况。

锁定指示电路如何设计？

PLL 锁定指示分为模拟锁定指示和数字锁定指示两种。

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鉴相器和电荷泵原理图

数字锁定指示：

当 PFD 的输入端连续检测到相位误差小于 15ns 的次数为 3(5)次，那么 PLL 就会给出数字锁定指示。

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数字锁定指示的工作频率范围：通常为 5kHz~50MHz。在更低的 PFD 频率上，漏电流会触发锁定指示电路；在更高的频率上，15ns 的时间裕度不再适合。在数字锁定指示的工作频段范围之外，推荐使用模拟锁定指示。

模拟锁定指示：

对电荷泵输入端的 Up 脉冲和 Down 脉冲进行异或处理后得出的脉冲串。所以当锁定时，锁定指示电路的输出为带窄负脉冲串的高电平信号。图为一个典型的模拟锁定指示输出（MUXOUT 输出端单独加上拉电阻的情况）。

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模拟锁定指示的输出级为 N 沟道开漏结构，需要外接上拉电阻，通常为 10KOhm~160kohm。我们可以通过一个积分电路（低通滤波器）得到一个平坦的高电平输出，如图所是的蓝色框电路。

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误锁定的一个条件：

参考信号REFIN信号丢失。当REFIN信号与PLL频合器断开连接时，PLL显然会失锁；然而，ADF41xx 系列的 PLL，其数字锁定指示用 REFIN 时钟来检查是否锁定，如果 PLL 先前已经锁定，REFIN 时钟突然丢失，PLL 会继续显示锁定状态。解决方法是使用模拟锁定指示。

当 VCXO 代替 VCO 时，PLL 常常失锁的原因。以 ADF4001 为例说明。VCXO 的输入阻抗通常较小（相对于 VCO 而言），大约为 100kohm。这样 VCXO 需要的电流必须由 PLL 来提供。PFD=2MHz， Icp=1.25mA，Vtune=4V，VCXO 输入阻抗=100kohm，VCXO 控制口电流=4/100k=40uA。在 PFD 输入端，用于抵消 VCXO 的输入电流而需要的静态相位误差

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16ns>15ns，所以，数字锁定指示为低电平。

解决方法1，使用模拟锁定指示。

解决方法2，使用更高的电荷泵电流来减小静态相位误差。增大环路滤波器电容，使放电变缓。

PLL 对射频输入信号有什么要求？

频率指标：可以工作在低于最小的射频输入信号频率上，条件是 RF 信号的 Slew Rate 满足要求。

例如，ADF4106 数据手册规定最小射频输入信号 500MHz，功率为-10dBm，这相应于峰峰值为200mV，slew rate=314V/us。如果您的输入信号频率低于 500MHz，但功率满足要求，并且slew rate 大于 314V/us，那么 ADF4106 同样能够正常工作。通常 LVDS 驱动器的转换速率可以很容易达到 1000V/us。

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PLL 芯片对电源的要求有哪些？

要求 PLL 电源和电荷泵电源具有*的退耦，相比之下，电荷泵的电源具有更加严格的要求。具体实现如下：

在电源引脚出依次放置 0.1uF，0.01uF，100pF 的电容。最大限度滤除电源线上的干扰。大电容的等效串联电阻往往较大，而且对高频噪声的滤波效果较差，高频噪声的抑制需要用小容值的电容。下图可以看到，随着频率的升高，经过一定的转折频率后，电容开始呈现电感的特性。不同的电容值，其转折频率往往不同，电容越大，转折频率越低，其滤除高频信号的能力越差。

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另外在电源线上串联一个小电阻（18ohm）也是隔离噪声的一种常用方法。

集成VCO 的ADF4360-x ，其中心频率如何设定？

VCO 的中心频率由下列三个因素决定。

1）VCO 的电容 C VCO

2）由芯片内部 Bond Wires 引入的电感 L BW

3）外置电感 L EXT 。即

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其中前2项由器件决定，这样只要给定一个外置电感，就可以得到VCO的输出中心频率。VCO的控制灵敏度在相应的数据手册上给出。作为一个例子，下图给出了 ADF4360-7 的集成 VCO 特性。

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ADF4360-7 VCO 的灵敏度与外置电感的关系

电感的选取，最好选用高 Q 值的。Coilcraft 公司是不错的选择。市面上常见的电感基本在 1nH以上。更小的电感可以用 PCB 导线制作。这里给出一个计算 PCB 引线电感的简单公式，如下图所示。

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导线电感的模型

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