PLL鎖相環(huán)工作原理
發(fā)布日期:2024-11-14
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鎖相環(huán)的作用是通過時鐘恢復(fù)結(jié)構(gòu)中包含一個鎖相環(huán) (Phase Locked Loop, PLL) 橫塊，用來調(diào)節(jié)恢復(fù)時鐘的頻率并補償由于工藝或溫度的變化而導(dǎo)致的頻率變化。
什么是鎖相環(huán)?
鎖相環(huán) (phase locked loop - PLL)是一種利用相位同步產(chǎn)生的電壓，去調(diào)諧壓控振蕩器以產(chǎn)生目標(biāo)頻率的負(fù)反饋控制系統(tǒng)。根據(jù)自動控制原理，這是一種典型的反饋控制電路，利用外部輸入的參考信號控制環(huán)路內(nèi)部振蕩信號的頻率和相位，實現(xiàn)輸出信號頻率對輸入信號頻率的自動跟蹤，一般用于閉環(huán)跟蹤電路。
PLL鎖相環(huán)工作原理
PLL鎖相環(huán)有哪幾部分組成?
PLL鎖相環(huán)通常由鑒相器（PD，Phase Detector）、濾波器（LF，Loop Filter）和壓控振蕩器（VCO，Voltage Controlled Oscillator）3部分組成前向通路，由分頻器組成頻率相位的反饋通路，如圖所示。
PLL鎖相環(huán)原理圖
PLL鎖相環(huán)的工作原理是檢測輸入信號和輸出信號的相位差，并將檢測出的相位差信號通過鑒相器轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出，經(jīng)低通濾波器濾波后形成壓控振蕩器的控制電壓，對振蕩器輸出信號的頻率實施控制，再通過反饋通路把振蕩器輸出信號的頻率、相位反饋到鑒相器。
PLL鎖相環(huán)在工作過程中，當(dāng)輸出信號的頻率成比例地反映輸入信號的頻率時，輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值，這樣輸出電壓與輸入電壓的相位就被鎖住了。
典型結(jié)構(gòu)的PLL捕獲范國是很小的，而且當(dāng)輸入數(shù)據(jù)是隨機(jī)碼的時候，更難獲得捕獲。因此大多數(shù)時鐘恢復(fù)電路中采用了稱為 "頻率輔助捕獲"的方法。這種方法是通過頻率鎖定環(huán)路，使得壓控振蕩器(Voltage-Controlled Oscillator- VCO)的振蕩頻率向接收的數(shù)據(jù)速率方向變化，直到VCO輸出振蕩頻率的誤差達(dá)到所要求的某個范圍內(nèi)，才使PLL相位鎖定環(huán)路工作，完成相位的鎖定和數(shù)據(jù)的重定時。頻率輔助捕獲可以通過外部參考時鐘來實現(xiàn)，也可以不用外部參考時鐘。如果有外部參考時鐘，頻率捕獲可以通過一個有鑒頻鑒相器 (Phase Frequency Detector, PFD) 的二階PLL來實現(xiàn)。
環(huán)路帶寬對眼圖、抖動測量的影響
值得注意的是，在真實的情況下，輸入的數(shù)字信號并不是一個純凈的信號，而是包含了不同頻率成分的抖動。對于低頻的抖動來說，其造成的是數(shù)據(jù)速率的緩慢變化，如果這個緩慢變化的頻率低于環(huán)路濾波器的帶寬，輸入信號抖動造成的相位變化信息就可以通過環(huán)路濾波器從而產(chǎn)生對VCO輸出頻率的調(diào)整，這時VCO的輸出時鐘中就會跟蹤上輸入信號的抖動。而如果輸入信號中抖動的頻率比較高，其造成的相位變化信號不能通過環(huán)路濾波器，則VCO輸出的時鐘中就不會有隨輸入信號一起變化的抖動成分,也就是說輸入信號中的高頻抖動成分被PLL鎖相環(huán)電路過濾掉了。
如下圖所示，我們通常會用PLL鎖相環(huán)電路的JTF（Jitter Transfer Function，抖動傳遞函數(shù)）曲線描述PLL電路對于不同頻率抖動的傳遞能力。JTF曲線通常是個低通的特性，反映了PLL鎖相環(huán)電路對于低頻抖動能很好跟蹤而對高頻抖動跟蹤能力有限的特性。
JTF曲線通常反映了PLL鎖相環(huán)電路的特性
對于低頻的抖動，PLL鎖相環(huán)電路能夠很好地跟蹤，恢復(fù)出來的時鐘和被測信號一起抖動。如果接收端的芯片用這個恢復(fù)時鐘為基準(zhǔn)對輸入信號進(jìn)行采樣，由于此時時鐘和被測信號一起抖動，所以這種低頻的抖動不會被觀察到，對于數(shù)據(jù)采樣的建立保持時間也沒有太大影響。
相反地，高頻的抖動會被PLL鎖相環(huán)電路過濾掉，因此輸出的時鐘里不包含這些高頻的抖動成分。如果用這個時鐘對數(shù)據(jù)信號進(jìn)行采樣，就會觀察到輸入信號里明顯的抖動。接收端用恢復(fù)時鐘進(jìn)行采樣時能夠看到的抖動與抖動頻率間的關(guān)系有時我們會用OJTF（Observed Jitter Transfer Function，觀察到的抖動傳遞函數(shù)）曲線來描述，其隨頻率的變化曲線正好JTF曲線相反。
正因為時鐘恢復(fù)電路對于低頻抖動的跟蹤特性，因此很多高速串行總線的接收芯片對于低頻抖動的容忍能力會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過對高頻抖動的容忍能力。下圖是USB3.0總線對于接收端芯片對于不同頻率抖動容忍能力的要求的一條曲線，可以看到其對低頻的容忍能力非常大，甚至可以遠(yuǎn)超過1個UI（數(shù)據(jù)比特寬度）。
PLL鎖相環(huán)帶寬設(shè)置- PLL鎖相環(huán)帶寬的設(shè)置越窄，恢復(fù)出來的時鐘越純凈，
時鐘恢復(fù)電路的PLL鎖相環(huán)的環(huán)路帶寬設(shè)置不同，對于不同頻率抖動跟蹤能力也不一樣。
一般情況下，PLL鎖相環(huán)帶寬的設(shè)置越窄，恢復(fù)出來的時鐘越純凈。但是對于抖動的跟蹤能力越弱，用這個時鐘為基準(zhǔn)對數(shù)據(jù)做采樣時看到的信號上的抖動會越多，看到的信號的眼圖會越惡劣；相反，如果PLL鎖相環(huán)帶寬的設(shè)置越寬，對于抖動的跟蹤能力越強(qiáng)，恢復(fù)出來的時鐘和信號的抖動越接近，用這個時鐘為基準(zhǔn)對數(shù)據(jù)做采樣時看到的信號上的抖動會越少，看到的信號的眼圖會越好。下圖反映出的就是不同的PLL鎖相環(huán)帶寬設(shè)置對于恢復(fù)時鐘抖動和以這個恢復(fù)時鐘為基準(zhǔn)對信號進(jìn)行采樣時看到的眼圖的情況。
什么是時鐘恢復(fù)模塊的PLL鎖相環(huán)帶寬？
時鐘恢復(fù)模塊的PLL鎖相環(huán)帶寬決定著輸入數(shù)據(jù)中有多少抖動可以傳輸?shù)交謴?fù)的時鐘內(nèi)。PLL帶寬越寬傳輸?shù)交謴?fù)時鐘內(nèi)的抖動就越多，從而會減少眼圖中顯示的抖動量。這是因為用以觸發(fā)測量的時鐘信號會跟蹤數(shù)據(jù)信號中顯示的抖動。較窄的PLL帶寬會使時鐘信號更加干凈，產(chǎn)生的眼圖也將更精確地顯示出輸入數(shù)據(jù)中真實的抖動情況。在測量眼圖時，鎖相環(huán)PLL帶寬可以成為有效的高通濾波器。
在進(jìn)行眼圖測量時使用正確的PLL鎖相環(huán)帶寬非常重要。各種測量標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了PLL需要的確切帶寬。下表中簡要列舉了PLL鎖相環(huán)帶寬標(biāo)準(zhǔn)。
PLL鎖相環(huán)帶寬標(biāo)準(zhǔn)
下圖顯示了PLL鎖相環(huán)帶寬對測量的眼圖造成的影響。左側(cè)的屏幕圖像顯示了較窄PLL鎖相環(huán)帶寬的眼圖，產(chǎn)生的掩碼冗余度為10%。而右側(cè)的屏幕圖像被要求使用了標(biāo)準(zhǔn)中指定的PLL鎖相環(huán)帶寬，從而產(chǎn)生17%的掩碼冗余度。
PLL鎖相環(huán)帶寬對測量的眼圖造成的影響
PLL鎖相環(huán)應(yīng)用案例
PLL鎖相環(huán)廣泛應(yīng)用于當(dāng)今的高速數(shù)字系統(tǒng)。除了在設(shè)計中提供關(guān)鍵功能外，它們還管理（充當(dāng)過濾器）系統(tǒng)抖動。PLL 的一個常見應(yīng)用是時鐘恢復(fù)電路。CR 電路用于接收器，從傳入數(shù)據(jù)中恢復(fù)時鐘。然后使用恢復(fù)的時鐘對傳入數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣。另一個常見用例是帶有參考時鐘場景的發(fā)射器（時鐘輸入，數(shù)據(jù)輸出），其中低速（且廉價）參考時鐘被倍增并用于以更高的速率輸出數(shù)據(jù)。
PLL鎖相環(huán)應(yīng)用
大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)通常以 3dB 帶寬和峰值來指定 PLL 性能。
當(dāng)今標(biāo)準(zhǔn)中通常引用的一階 PLL 具有 0 dB 峰值（根據(jù)定義）。它的滾降率為 20 dB/十倍頻程。實際上，所有硬件 CR 都會有“一些”峰值。二階 PLL 的響應(yīng)中會出現(xiàn)峰值。它的滾降率為 40 dB/十倍頻程。更高階的 PLL（例如二階）用于需要跟蹤擴(kuò)頻時鐘或 SSC（大量低頻抖動）的接收器。
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