绝对干货！PLL芯片接口常见的11个问题以及应对方法

绝对干货！PLL芯片接口常见的11个问题以及应对方法

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！

1、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＜2ppm。这里给出几种参考的稳定性拧标

和相位噪声指标。

名称频率范围频率稳定度相位噪声价格

(MHz)(ppm)dBc/Hz^10kHz

普通晶体振落瑞1*100*/-10*+/-100低

SPXO

压控晶体振荡器1~60+/-1-+/-50

VCXO

温度补偿晶体振荡1-60+/-0.1-+/-5

器TCXO

压控振荡器VCO宽-110

恒温控制晶体振荡10-200.0005-0.01-150,-120@10Hz非常高

器OCX。

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)o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。

2、能详细解释下控制时序、电平及要求吗？

ADT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。

图1、PLL频率合成器的串行控制接口(3WireSerialInterface)

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。

SP1控制接口为3V/3.3VCMOS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。

/RCOUNTER\_/COMTPOt\m/NCOUNTER\

99LATCHDMALATCHOATA/\UnCKDATA)

•i

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I卜产生毛刺.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。

3、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10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10口，这时需要用CE信号对芯片进行上

电和下电的控制。

4、可否简要介绍环路滤波器参数的设置？

ADIsimPLLV3.3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l/20o

•相位裕度设置为45度。

•滤波器优先选择无源淀波器。

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。

OpenLoopGamat1.00GHz

(

6

O

rnpP

))

Uo

s

Qe

9u

d

(

6

Q

P

)

8

s

e

q

d

5、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源波器积分后的最

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(LowOffsetVoltage)[通常小于500uV]

•低偏流(LowBiasCurrent)[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。

6、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。卜图中ABC三点功率关系。B,C点的功率比A点小6dB。

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。

7、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，VC0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；VC0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。

8、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。

V-(OV)

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。

厂leakagecurrent_

PhaseError=--------=--------XTPFD

Icp

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5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)。

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

10K0hm^l60kohmo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。

LockDetectOutput

S25

2O

5-

号I5

O一

3

SOQOn

0

0501001®20029D3003SD4004®900

Time(us)

误锁定的一个条件：

参考信号REFIN信号丢失。当REF1N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lOOkohm。这样VCXO需要的

电流必须由PLL来提供。PFD=2MHz,Icp=l.25mA,Vtune=4V,VCXO输入阻抗

=lOOkohm,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

VCXOcurrent_40uA

-----------=-----------XTPFD=x500〃s=16ns

Icp1.25mA

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。

9、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

SlewRate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TOdBm,这相

应于峰峰值为200mV,slewrate=314V/uso如果您的输入信号频率低于

500MHz,但功率满足要求，并且slewrate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lOOOV/us。

SlewRate=dv/dt|max=2*pi*f*Vp=314V/us

10、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良好的退耦，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O.luF,O.OhiF,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，其转如频

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。

1,000,000

100,000

2.2uF

-10,000

E

C

O

-1,0000.1uF

3

2

8100O.OluF

P

g

d10

E1000pF

_

100pf

0001

0.0010.010