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結構中包含一個鎖相環(huán) (Phase Locked Loop, PLL) 橫塊，用來調節(jié)恢復時鐘的頻率并補償由于工藝或溫度的變化而導致的頻率變化。
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生的電壓，去調諧壓控振蕩器以產生目標頻率的負反饋控制系統。根據自動控制原理，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)路內部振蕩信號的頻率和相位，實現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換成電壓信號輸出，經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。
典型結構的PLL捕獲范國是很小的，而且當輸入數據是隨機碼的時候，更難獲得捕獲。因此大多數時鐘恢復電路中采用了稱為 "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據速率方向變化，直到VCO輸出振蕩頻率的誤差達到所要求的某個范圍內，才使PLL相位鎖定環(huán)路工作，完成相位的鎖定和數據的重定時。頻率輔助捕獲可以通過外部參考時鐘來實現，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。
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，其造成的是數據速率的緩慢變化，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)路濾波器從而產生對VCO輸出頻率的調整，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）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時鐘為基準對輸入信號進行采樣，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，對于數據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據信號進行采樣，就會觀察到輸入信號里明顯的抖動。接收端用恢復時鐘進行采樣時能夠看到的抖動與抖動頻率間的關系有時我們會用OJTF（Observed Jitter Transfer Function，觀察到的抖動傳遞函數）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遠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，甚至可以遠超過1個UI（數據比特寬度）。
PLL鎖相環(huán)帶寬設置- PLL鎖相環(huán)帶寬的設置越窄，恢復出來的時鐘越純凈，
時鐘恢復電路的PLL鎖相環(huán)的環(huán)路帶寬設置不同，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)帶寬的設置越窄，恢復出來的時鐘越純凈。但是對于抖動的跟蹤能力越弱，用這個時鐘為基準對數據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)帶寬的設置越寬，對于抖動的跟蹤能力越強，恢復出來的時鐘和信號的抖動越接近，用這個時鐘為基準對數據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)帶寬設置對于恢復時鐘抖動和以這個恢復時鐘為基準對信號進行采樣時看到的眼圖的情況。
什么是時鐘恢復模塊的PLL鎖相環(huán)帶寬？
時鐘恢復模塊的PLL鎖相環(huán)帶寬決定著輸入數據中有多少抖動可以傳輸到恢復的時鐘內。PLL帶寬越寬傳輸到恢復時鐘內的抖動就越多，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據信號中顯示的抖動。較窄的PLL帶寬會使時鐘信號更加干凈，產生的眼圖也將更精確地顯示出輸入數據中真實的抖動情況。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。各種測量標準都規(guī)定了PLL需要的確切帶寬。下表中簡要列舉了PLL鎖相環(huán)帶寬標準。
PLL鎖相環(huán)帶寬標準
下圖顯示了PLL鎖相環(huán)帶寬對測量的眼圖造成的影響。左側的屏幕圖像顯示了較窄PLL鎖相環(huán)帶寬的眼圖，產生的掩碼冗余度為10%。而右側的屏幕圖像被要求使用了標準中指定的PLL鎖相環(huán)帶寬，從而產生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)應用案例
PLL鎖相環(huán)廣泛應用于當今的高速數字系統。除了在設計中提供關鍵功能外，它們還管理（充當過濾器）系統抖動。PLL 的一個常見應用是時鐘恢復電路。CR 電路用于接收器，從傳入數據中恢復時鐘。然后使用恢復的時鐘對傳入數據進行采樣。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，數據輸出），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據。
PLL鎖相環(huán)應用
大多數標準通常以 3dB 帶寬和峰值來指定 PLL 性能。
當今標準中通常引用的一階 PLL 具有 0 dB 峰值（根據定義）。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 的響應中會出現峰值。它的滾降率為 40 dB/十倍頻程。更高階的 PLL（例如二階）用于需要跟蹤擴頻時鐘或 SSC（大量低頻抖動）的接收器。
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