顧名思義，鎖相環(huán) (PLL) 使用鑒相器比較反饋信號(hào)與參考信號(hào)，將兩個(gè)信號(hào)的相位鎖定在一起。雖然這種特性有許多用武之地，但是PLL如今最常用于頻率合成，通常充當(dāng)上變頻器/下變頻器中的本振 (LO)，或者充當(dāng)高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 或數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 的時(shí)鐘。
直到最近，我們很少注意這些電路中的相位行為。但隨著對(duì)效率、帶寬和性能的需求日益增長(zhǎng)，RF 工程師必須推出新技術(shù)來提高頻譜和功率效率。信號(hào)相位的重復(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)用中均起到日益重要的作用。
一切都是相對(duì)的
關(guān)于相位測(cè)量，如果不是相對(duì)于另一個(gè)信號(hào)或相對(duì)于原始相位則毫無意義。例如，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 (VNA) 對(duì)放大器之類的兩端口網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相位測(cè)量，就是相對(duì)于輸入相位 ANG(S21) 測(cè)量輸出相位的。單輸入相位指相對(duì)于入射相位 ANG(S11) 的反射相位。在 PLL 合成器上，相位測(cè)量指的是相對(duì)于輸入?yún)⒖枷辔坏臏y(cè)量或信號(hào)間的相位測(cè)量。任何相位測(cè)量的理想狀態(tài)就是測(cè)得與原始相位相比的精確期望值，但是非線性、非理想性、溫差和電路板跡線以及其他制造差異都會(huì)使得相位在信號(hào)生成中更容易發(fā)生改變。對(duì)于本文而言，“同相”是指幅度和時(shí)序特性相同的信號(hào);確定性相位是指信號(hào)之間的相移是已知和可預(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，可以使用高速示波器比較輸出相位與參考相位，這是一種相對(duì)直觀的方法。為了直觀可見，輸入相位和輸出相位通常必須是彼此的整數(shù)倍。這在許多時(shí)鐘電路中相對(duì)比較常見。對(duì)于整數(shù) N 分頻 PLL，輸入頻率 (REFIN) 和輸出頻率 (RFOUT) 之間的關(guān)系通常是確定和可重復(fù)的。只需將示波器探頭放在 REFIN 和 RFOUT 上，但注意僅捕獲確定已建立相位時(shí)的信號(hào)。像 RTO1044 這樣的高級(jí)示波器，只有在滿足某些條件時(shí)才允許事件觸發(fā)激活：比如將特定的數(shù)字模式寫入 PLL 器件以及已知信號(hào)的上升沿出現(xiàn)時(shí)。鑒于數(shù)字模式的寫入與最終信號(hào)穩(wěn)定之間可能會(huì)有一些延遲，因此在這兩個(gè)事件之間插入一些延遲至關(guān)重要，這種特定型號(hào)的儀器就可以實(shí)現(xiàn)這一功能。
圖 1 的測(cè)量是為了確認(rèn) ADF4356 PLL 相對(duì)于已知參考信號(hào)(在這種情況下，另一個(gè) ADF4356 設(shè)定相同的輸出頻率)的相位延遲在上電時(shí)是否恒定和可重復(fù)。為了正確設(shè)置儀器，將兩個(gè)低速探頭連接到 ADF4356 SPI 接口的 CLK 線路和 DATA 線路。若要將數(shù)字模式寫入特定頻率，則必須等待 1 秒鐘，儀器才能捕獲顯示兩個(gè) PLL 輸出的時(shí)域圖。
圖 1.整數(shù) N 分頻設(shè)置
對(duì)于此測(cè)量，兩個(gè) ADF4356 PLL 鎖定在 4 GHz 的 VCO 頻率并在 8 MHz 至 500 MHz 的范圍內(nèi)分頻，其中一個(gè) PLL 使用軟件掉電功能反復(fù)開啟和關(guān)閉。示波器采用無限持續(xù)模式進(jìn)行 119 次采集，兩個(gè) PLL 之間的相位差恒定且可重復(fù)。為了確保相位差可重復(fù)，需遵循許多注意事項(xiàng)。相比較而言，低的 R 分頻值比高的 R 分頻值帶來的不確定性較少，而且將來自 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，務(wù)必使用手動(dòng)校準(zhǔn)覆蓋程序來消除此不確定性。
相位再同步定義
相位再同步是指小數(shù) N 分頻 PLL 在每個(gè)給定頻率下返回相同相移的能力。也就是說，相位為 P1 的頻率 A 在改為頻率 B 后，當(dāng)頻率重新設(shè)定為回到 F1 時(shí)，觀察到仍具有相同的原始相位 P1。該定義忽略了由 VCO 漂移、漏電流、溫度變化等因素引起的變化。
再同步將復(fù)位脈沖發(fā)送到小數(shù) N 分頻Σ-Δ調(diào)制器，從而使其處于已知的可重復(fù)狀態(tài)。在完成 VCO 頻段選擇和環(huán)路濾波器建立時(shí)間等頻率建立機(jī)制之后，需要施加此復(fù)位脈沖。其值由寄存器 12 中的超時(shí)計(jì)數(shù)器控制。新近的 PLL 能夠調(diào)整此復(fù)位脈沖的時(shí)序，實(shí)現(xiàn)了一定程度的輸出信號(hào)可調(diào)性。此外，它還能以 360°/225 步進(jìn)改變時(shí)序，比大多數(shù)儀器更輕松地完成測(cè)量。
圖 2.進(jìn)行小數(shù) N 分頻再同步，頻率范圍 4694 MHz 至 4002.5 MHz
對(duì)于本實(shí)驗(yàn)，兩個(gè) ADF4356 VCO 的頻率均設(shè)定為 4002.5 MHz 且采用 8 分頻。第二個(gè) PLL 的 VCO 頻率設(shè)定為 4694 MHz，然后設(shè)定為回到 4002.5 MHz。通過使用示波器檢查 PLL 行為可以看出，在 1700 次頻率變化后，PLL 每次都穩(wěn)定在同一相位。
為了表征不同的相移特性，相位字設(shè)定為 4194304/225 (相當(dāng)于 90°)。設(shè)定 90°、180°、270° 和 0° 的相應(yīng)類似值，再次查看示波圖(圖 3)。
圖 3.具有可變相移的相位再同步
相對(duì)于通道 1 上的原始信號(hào)，觀察到四個(gè)間隔相等的信號(hào)，從而確認(rèn)了具有可編程偏移的相位再同步的準(zhǔn)確性。
該功能非常有用，意味著可以為每個(gè)用戶頻率創(chuàng)建相位值查找表，在每次使用時(shí)記錄相位值。在需要組合四個(gè)同相 LO 頻率的應(yīng)用中，相位再同步和偏移功能用于調(diào)整輸出相位，從而共同提供低 6 dB 的相位噪聲。如果用作可調(diào) LO (可能在信號(hào)分析儀的第一級(jí)上)，再同步和相移功能允許用戶在上電時(shí)執(zhí)行一次性校準(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)需要按照每個(gè) LO 設(shè)定相位值，從而無需在每個(gè)頻率下執(zhí)行校準(zhǔn)。
圖 4.需要精確控制 PLL 輸出相位的相位關(guān)鍵型應(yīng)用
對(duì)于像網(wǎng)絡(luò)分析儀這樣的相位關(guān)鍵型應(yīng)用，該電路可以在上電時(shí)測(cè)量每個(gè)頻率下的相位值，然后根據(jù)需要設(shè)定，因?yàn)?LO 會(huì)作用于整個(gè)目標(biāo)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)分析儀也可用于表征相位行為，盡管其僅限用于比較器件的相位與其初始值?？梢詫?FSWP 等高級(jí)分析儀置于 FM 解調(diào)模式并選擇相位輸出。
這對(duì)于評(píng)估 ADF4356 PLL 上的相位再同步功能非常有用。下面的跡線(圖 5)表示 ADF4356 相位在 5025 MHz 的輸出頻率下變化了 180°。
圖 5.180°相移時(shí)的 FSUP FM 解調(diào)器輸出
相位調(diào)整
相位調(diào)整功能可避免 Σ-Δ 調(diào)制器復(fù)位，只需為現(xiàn)有相位添加一個(gè) 0° 至 360° 之間的相位字即可。在不希望相位復(fù)位的應(yīng)用中，這一操作非常有用。它可以用于動(dòng)態(tài)調(diào)整相位字以補(bǔ)償由于溫度等影響而產(chǎn)生的相位差。
相位調(diào)整在 R0 每次更新(采用寄存器 3 的編程值)時(shí)為現(xiàn)有信號(hào)添加相位。它不包含相位再同步等復(fù)位脈沖。以下來自 FSWP 的測(cè)量結(jié)果表示的是原始信號(hào)增加 90°(圖 6) 和 270°(圖 7) 的情況。在這兩種情況下，ADF4356 的輸出頻率在相位更改之前都設(shè)置為 5025 MHz。
圖 6.90°變化
圖 7.270°變化
整個(gè)溫度范圍內(nèi)的行為
電感器的物理參數(shù)隨溫度而變化，其電特性也一樣，表現(xiàn)為相位變化。為了減少這種相位變化，用戶可以設(shè)定所需的相移以保持相同的相位。輸出頻率設(shè)定為 4 GHz 的兩個(gè) ADF4356 PLL，以相同相位放置在同一爐室中，密切跟蹤彼此的相位(圖 2)，從而證明用戶可以根據(jù)溫度調(diào)整相位。
圖 8.ADF4356 在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的相位漂移，測(cè)量時(shí)的 VCO 頻率為 4 GHz。
5G
波束成形是實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的一種關(guān)鍵技術(shù)。這些網(wǎng)絡(luò)中使用多個(gè)天線陣列元件，每個(gè)元件具有不同的相位和幅度，將天線能量直接傳導(dǎo)到最終用戶。對(duì)于該應(yīng)用，相位重復(fù)性是關(guān)鍵。波束成形需要 LO 相位具有可重復(fù)性，并且如果該相位具有不確定性，則需要波束成形電路進(jìn)行額外校準(zhǔn)。
圖 9 所示為相隔四分之一波長(zhǎng)并由同相驅(qū)動(dòng)的兩個(gè)半波單元的方向圖。天線輻射圖幾乎是全向的，觀察不到波束成形。圖 10 顯示了由 90° 異相信號(hào)驅(qū)動(dòng)的兩個(gè)元件，得到的輻射圖顯示輻射圖更加集中。隨著元件陣列數(shù)量的增加，朝向最終用戶的輻射圖的準(zhǔn)確度也有所提升，進(jìn)一步提高了光譜效率。
圖 9.無波束成形
圖 10.波束成形
相位再同步功能確保消除了 LO 相位特性的不確定性。此外，還能夠調(diào)整此相位，為用戶提供了另一種方法來克服存在于電路中而波束成形器或基帶電路難以調(diào)整的任何其他相位延遲。
結(jié)論
相位再同步將 ADF4356 以及類似的 PLL 器件置于已知相位，這樣可以實(shí)現(xiàn)許多應(yīng)用并大大簡(jiǎn)化校準(zhǔn)程序。