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(lái)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(wú)意義。例如，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)對(duì)放大器之類(lèi)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(jiàn)，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(jiàn)。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(xiě)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(xiě)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(xiě)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(kāi)啟和關(guān)閉。示波器采用無(wú)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(lái)的不確定性較少，而且將來(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，務(wù)必使用手動(dòng)校準(zhǔn)覆蓋程序來(lái)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(shuō)，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∑-?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 AD7091R 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(guò)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(lèi)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(hù)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(hù)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(wú)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)長(zhǎng)O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。可以將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∑-?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(lái)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(hù)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(hù)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(hù)。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(hù)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(wú)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(hù)提供了另一種方法來(lái)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(lèi)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。