鎖相環(huán)（PLL）使用相位檢測(cè)器將反饋信號(hào)與參考信號(hào)進(jìn)行比較，將兩個(gè)信號(hào)的相位鎖定在一起。雖然此屬性仍有許多應(yīng)用，但目前PLL最常用于頻率合成，通常用作頻率上/下變頻器中的本地振蕩器（LO），或用于高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）或數(shù)字到數(shù)字轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘。模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）。

直到最近，很少關(guān)注這些電路中的相位行為。然而，隨著對(duì)效率，帶寬和性能的不斷增長(zhǎng)的需求，RF工程師必須設(shè)計(jì)新技術(shù)來(lái)提高頻譜和功率效率。信號(hào)相位的可重復(fù)性，可預(yù)測(cè)性和可調(diào)性在現(xiàn)代通信和儀器儀表應(yīng)用中都發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

所有是相對(duì)的

指代一個(gè)階段是沒(méi)有意義的測(cè)量，除非它是相對(duì)于另一個(gè)信號(hào)或相對(duì)于原始相位。例如，雙端口網(wǎng)絡(luò)（如放大器）的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）的相位測(cè)量將輸出相位稱(chēng)為輸入相位ANG（S21）。單個(gè)輸入的相位將反射相位稱(chēng)為入射相位ANG（S11）。在PLL合成器上，相位測(cè)量被稱(chēng)為輸入?yún)⒖枷辔换驈囊粋€(gè)信號(hào)到另一個(gè)信號(hào)。任何相位測(cè)量的圣杯或理想狀態(tài)應(yīng)與原始相位處于精確期望的值，但非線性，非理想性，溫度差異和電路板走線以及其他制造差異意味著相位更多信號(hào)生成中的屬性變量。出于本文的目的，術(shù)語(yǔ)同相是指具有完全相同的幅度和定時(shí)屬性的信號(hào);確定性階段意味著它們之間的相位偏移是已知且可預(yù)測(cè)的。

示波器測(cè)量相位

為了比較兩個(gè)不同頻率的相位，高速示波器是比較輸出相位與參考相位的相對(duì)直觀的方法。為了可見(jiàn)，輸入和輸出階段通常是彼此的整數(shù)倍。這在許多時(shí)鐘電路中相對(duì)常見(jiàn)。對(duì)于整數(shù)N個(gè)PLL，輸入頻率（REF IN ）與輸出頻率（RF OUT ）之間的關(guān)系通常具有確定性和可重復(fù)性。只需將示波器探頭放在REF IN 和RF OUT 上，但在確定相位已經(jīng)穩(wěn)定時(shí)，請(qǐng)注意僅捕獲信號(hào)。復(fù)雜的示波器（如RTO1044）允許事件觸發(fā)器僅在滿足特定條件時(shí)激活：例如，當(dāng)已將特定數(shù)字模式寫(xiě)入PLL設(shè)備并且存在來(lái)自已知信號(hào)的上升沿時(shí)。鑒于在數(shù)字模式的寫(xiě)入和最終信號(hào)的確定之間可能存在一些延遲，因此在兩個(gè)事件之間插入一些延遲是至關(guān)重要的，這可以通過(guò)這種特殊的儀器模型實(shí)現(xiàn)。

圖1中的測(cè)量目標(biāo)是驗(yàn)證ADF4356 PLL相對(duì)于已知參考信號(hào)（在這種情況下，另一個(gè)編程為相同輸出頻率的ADF4356）的相位延遲是恒定的，并且在上電時(shí)是可重復(fù)的。為了正確設(shè)置儀器，兩個(gè)低速探頭連接到ADF4356 SPI接口的CLK和DATA線。一旦記錄了寫(xiě)入特定頻率的數(shù)字模式，在儀器捕獲顯示兩個(gè)PLL輸出的時(shí)域圖之前，等待時(shí)間為1秒。

對(duì)于此測(cè)量，兩個(gè)ADF4356 PLL鎖定在4 GHz的VCO頻率，并被8 MHz至500 MHz分頻，其中一個(gè)使用軟件斷電功能重復(fù)關(guān)閉和打開(kāi)電源。示波器采用無(wú)限余輝模式進(jìn)行119次采集，兩者之間的相位差是恒定且可重復(fù)的。遵循了一些預(yù)防措施以確保相位差是可重復(fù)的。低R分頻器值引入的不確定性低于較高值，并且將來(lái)自VCO輸出的分頻反饋饋送到N計(jì)數(shù)器輸入至關(guān)重要。鑒于ADF4356 PLL和VCO包含1024個(gè)不同的VCO頻段，使用手動(dòng)校準(zhǔn)覆蓋程序消除這種不確定性非常重要。

相位重新同步定義

相位再同步定義為小數(shù)N分頻PLL在每個(gè)給定頻率下返回相同相位偏移的能力。也就是說(shuō)，當(dāng)將通道改變?yōu)轭l率B時(shí)觀察具有相位P1的頻率A，當(dāng)頻率被重新編程回F1時(shí)，觀察到相同的原始相位P1。該定義忽略了由于VCO漂移，漏電流，溫度變化等引起的變化。

Resync向小數(shù)N，Σ-Δ調(diào)制器發(fā)送一個(gè)復(fù)位脈沖，該調(diào)制器將其置于已知的可重復(fù)狀態(tài)。在完成VCO頻段選擇和環(huán)路濾波器建立時(shí)間等頻率穩(wěn)定機(jī)制之后，需要應(yīng)用該復(fù)位脈沖。它的值由寄存器12中的超時(shí)計(jì)數(shù)器控制。在最近的PLL上，調(diào)整該復(fù)位脈沖的時(shí)序的能力使輸出信號(hào)具有一定程度的可調(diào)節(jié)性，并能夠以360°的步長(zhǎng)改變其時(shí)序。 2 25 ，大多數(shù)儀器都可以輕松測(cè)量。

對(duì)于本實(shí)驗(yàn)，兩個(gè)ADF4356 VCO都編程為4002.5 MHz并除以8。 PLL被編程為VCO頻率為4694 MHz，然后編程回4002.5 MHz。使用示波器檢查PLL的行為，可以看出，在1700頻率變化后，PLL每次都會(huì)穩(wěn)定在同一相位。

為了表征不同的相位偏移特征，相位字被編程為4194304/2 25 ，相當(dāng)于90°。編程了90°，180°，270°和0°的相似值，并檢查了示波器圖（圖3）。

相對(duì)于通道1上的原始信號(hào)，四個(gè)等間距觀察信號(hào)，確認(rèn)具有可編程偏移的相位再同步的準(zhǔn)確性。

此功能非常有用，意味著可以為每個(gè)用戶頻率創(chuàng)建相位值查找表，每個(gè)用戶頻率都會(huì)撥打相位值使用。在將四個(gè)LO頻率同相組合的應(yīng)用中，相位再同步和偏移功能用于調(diào)整它們組合的輸出相位，以提供低6 dB的相位噪聲。如果用作可調(diào)諧LO（可能在信號(hào)分析儀的第一級(jí)），重新同步和相位偏移功能允許用戶在上電時(shí)運(yùn)行一次校準(zhǔn)，以確定每個(gè)LO的精確相位值。在用作LO時(shí)，可以根據(jù)需要將相位值編程到每個(gè)LO，從而消除了在每個(gè)頻率下校準(zhǔn)的過(guò)程。

對(duì)于像網(wǎng)絡(luò)分析儀這樣的相位關(guān)鍵應(yīng)用，電路可以在上電時(shí)測(cè)量每個(gè)頻率的相位值，然后在必要時(shí)對(duì)它們進(jìn)行編程，因?yàn)長(zhǎng)O掃過(guò)感興趣的范圍。

測(cè)量相位，矢量信號(hào)和網(wǎng)絡(luò)分析儀

矢量信號(hào)和網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)于表征相位行為也很有用，盡管它們的使用僅限于將器件的相位與其初始值進(jìn)行比較。復(fù)雜的分析儀，如FSWP，可以置于FM解調(diào)模式并選擇相位輸出。

這對(duì)于評(píng)估ADF4356 PLL上存在的相位重新同步功能非常有用。下面的曲線（圖5）顯示，在輸出頻率為5025 MHz時(shí)，ADF4356相位變化180°。

相位調(diào)整

相位調(diào)整功能可避免重置Σ-Δ調(diào)制器，并簡(jiǎn)單地在0°到360°之間添加相位字到現(xiàn)有相位。這在不希望重置相位的應(yīng)用中是有用的。它可用于動(dòng)態(tài)調(diào)整相位字，以補(bǔ)償由于溫度等影響導(dǎo)致的相位差異。

相位調(diào)整會(huì)在每次更新R0時(shí)將相位添加到現(xiàn)有信號(hào)（編程到寄存器3的值）。它不包含像重新同步一樣的復(fù)位脈沖。 FSWP下面的測(cè)量表明，原始信號(hào)增加了90°（圖6）和270°（圖7）。在這兩種情況下，ADF4356的輸出頻率在更改相位之前設(shè)置為5025 MHz。

溫度過(guò)高行為

因?yàn)殡姼械奈锢韰?shù)會(huì)發(fā)生變化溫度，電氣特性也是如此，這表現(xiàn)為相位的變化。為了減輕這種相位變化，用戶可以編程所需的相位偏移以保持相同的相位。兩個(gè)編程為4 GHz輸出頻率的ADF4356 PLL在同一個(gè)相位的同一個(gè)烤箱腔內(nèi)密切跟蹤彼此的相位（圖2），因此這證明用戶可以根據(jù)溫度調(diào)整相位。

5G

波束成形是一種對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)至關(guān)重要的技術(shù)。在這些網(wǎng)絡(luò)中，使用多個(gè)天線陣元素，每個(gè)元素具有不同的相位和幅度，以直接將天線能量引導(dǎo)到最終用戶。對(duì)于此應(yīng)用，相位可重復(fù)性至關(guān)重要。對(duì)于波束成形，LOphase需要是可重復(fù)的，如果相位不確定，則需要通過(guò)波束成形電路進(jìn)行額外的校準(zhǔn)。

圖9顯示了兩個(gè)半波長(zhǎng)的波長(zhǎng)間隔四分之一波長(zhǎng)并且相位驅(qū)動(dòng)的波長(zhǎng)。天線輻射圖幾乎是全向的，并且沒(méi)有觀察到波束形成。圖10示出了由90°異相信號(hào)驅(qū)動(dòng)的兩個(gè)元件，并且所得到的輻射圖案示出了輻射圖案更集中的方式。隨著元件陣列數(shù)量的增加，這可以使輻射方向圖更準(zhǔn)確地朝向最終用戶，從而提高光譜效率。

相位再同步功能可確保不確定性在LO的相位特征中被消除。此外，調(diào)整此階段的能力為用戶提供了額外的杠桿，以克服電路中難以通過(guò)波束形成器或基帶電路調(diào)整的其他相位延遲。

結(jié)論

相位重新同步將ADF4356和類(lèi)似的PLL部件置于已知相位，從而實(shí)現(xiàn)了許多應(yīng)用，并大大簡(jiǎn)化了校準(zhǔn)程序。