顧名思義，鎖相環 (PLL) 使用鑒相器比較反饋信號與參考信號，將兩個信號的相位鎖定在一起。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，通常充當上變頻器/下變頻器中的本振 (LO)，或者充當高速模數轉換器 (ADC) 或數模轉換器 (DAC) 的時鐘。

　　直到最近，我們很少注意這些電路中的相位行為。但隨著對效率、帶寬和性能的需求日益增長，RF 工程師必須推出新技術來提高頻譜和功率效率。信號相位的重復性、可預測性和可調性在現代通信和儀器儀表應用中均起到日益重要的作用。

　　一切都是相對的

　　關于相位測量，如果不是相對于另一個信號或相對于原始相位則毫無意義。例如，使用矢量網絡分析儀 (VNA) 對放大器之類的兩端口網絡進行相位測量，就是相對于輸入相位 ANG(S21) 測量輸出相位的。單輸入相位指相對于入射相位 ANG(S11) 的反射相位。在 PLL 合成器上，相位測量指的是相對于輸入參考相位的測量或信號間的相位測量。任何相位測量的理想狀態就是測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使得相位在信號生成中更容易發生改變。對于本文而言，“同相”是指幅度和時序特性相同的信號;確定性相位是指信號之間的相移是已知和可預測的。

　　示波器測量相位

　　為了比較兩個不同頻率的相位，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倍。這在許多時鐘電路中相對比較常見。對于整數 N 分頻 PLL，輸入頻率 (REFIN) 和輸出頻率 (RFOUT) 之間的關系通常是確定和可重復的。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的信號。像 RTO1044 這樣的高級示波器，只有在滿足某些條件時才允許事件觸發激活：比如將特定的數字模式寫入 PLL 器件以及已知信號的上升沿出現時。鑒于數字模式的寫入與最終信號穩定之間可能會有一些延遲，因此在這兩個事件之間插入一些延遲至關重要，這種特定型號的儀器就可以實現這一功能。

　　圖 1 的測量是為了確認 ADF4356 PLL 相對于已知參考信號(在這種情況下，另一個 ADF4356 設定相同的輸出頻率)的相位延遲在上電時是否恒定和可重復。為了正確設置儀器，將兩個低速探頭連接到 ADF4356 SPI 接口的 CLK 線路和 DATA 線路。若要將數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 PLL 輸出的時域圖。

　　圖 1.整數 N 分頻設置

　　對于此測量，兩個 ADF4356 PLL 鎖定在 4 GHz 的 VCO 頻率并在 8 MHz 至 500 MHz 的范圍內分頻，其中一個 PLL 使用軟件掉電功能反復開啟和關閉。示波器采用無限持續模式進行 119 次采集，兩個 PLL 之間的相位差恒定且可重復。為了確保相位差可重復，需遵循許多注意事項。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 計數器輸入至關重要。鑒于 ADF4356 PLL 和 VCO 包含 1024 個不同的 VCO 頻段，務必使用手動校準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 N 分頻 PLL 在每個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，當頻率重新設定為回到 F1 時，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。

　　再同步將復位脈沖發送到小數 N 分頻Σ-Δ調制器，從而使其處于已知的可重復狀態。在完成 VCO 頻段選擇和環路濾波器建立時間等頻率建立機制之后，需要施加此復位脈沖。其值由寄存器 12 中的超時計數器控制。新近的 PLL 能夠調整此復位脈沖的時序，實現了一定程度的輸出信號可調性。此外，它還能以 360°/225 步進改變時序，比大多數儀器更輕松地完成測量。

　　圖 2.進行小數 N 分頻再同步，頻率范圍 4694 MHz 至 4002.5 MHz

　　對于本實驗，兩個 ADF4356 VCO 的頻率均設定為 4002.5 MHz 且采用 8 分頻。第二個 PLL 的 VCO 頻率設定為 4694 MHz，然后設定為回到 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 每次都穩定在同一相位。

　　為了表征不同的相移特性，相位字設定為 4194304/225 (相當于 90°)。設定 90°、180°、270° 和 0° 的相應類似值，再次查看示波圖(圖 3)。

　　圖 3.具有可變相移的相位再同步

　　相對于通道 1 上的原始信號，觀察到四個間隔相等的信號，從而確認了具有可編程偏移的相位再同步的準確性。

　　該功能非常有用，意味著可以為每個用戶頻率創建相位值查找表，在每次使用時記錄相位值。在需要組合四個同相 LO 頻率的應用中，相位再同步和偏移功能用于調整輸出相位，從而共同提供低 6 dB 的相位噪聲。如果用作可調 LO (可能在信號分析儀的第一級上)，再同步和相移功能允許用戶在上電時執行一次性校準以確定每個 LO 的精確相位值。在用作 LO 時，可以根據需要按照每個 LO 設定相位值，從而無需在每個頻率下執行校準。

　　圖 4.需要精確控制 PLL 輸出相位的相位關鍵型應用

　　對于像網絡分析儀這樣的相位關鍵型應用，該電路可以在上電時測量每個頻率下的相位值，然后根據需要設定，因為 LO 會作用于整個目標范圍。

　　測量相位、矢量信號和網絡分析儀

　　矢量信號和網絡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 等高級分析儀置于 FM 解調模式并選擇相位輸出。

　　這對于評估 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°相移時的 FSUP FM 解調器輸出

　　相位調整

　　相位調整功能可避免 Σ-Δ 調制器復位，只需為現有相位添加一個 0° 至 360° 之間的相位字即可。在不希望相位復位的應用中，這一操作非常有用。它可以用于動態調整相位字以補償由于溫度等影響而產生的相位差。

　　相位調整在 R0 每次更新(采用寄存器 3 的編程值)時為現有信號添加相位。它不包含相位再同步等復位脈沖。以下來自 FSWP 的測量結果表示的是原始信號增加 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置為 5025 MHz。

　　圖 6.90°變化

　　圖 7.270°變化

　　整個溫度范圍內的行為

　　電感器的物理參數隨溫度而變化，其電特性也一樣，表現為相位變化。為了減少這種相位變化，用戶可以設定所需的相移以保持相同的相位。輸出頻率設定為 4 GHz 的兩個 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溫度調整相位。

　　圖 8.ADF4356 在整個溫度范圍內的相位漂移，測量時的 VCO 頻率為 4 GHz。

　　5G

　　波束成形是實現5G網絡架構的一種關鍵技術。這些網絡中使用多個天線陣列元件，每個元件具有不同的相位和幅度，將天線能量直接傳導到最終用戶。對于該應用，相位重復性是關鍵。波束成形需要 LO 相位具有可重復性，并且如果該相位具有不確定性，則需要波束成形電路進行額外校準。

　　圖 9 所示為相隔四分之一波長并由同相驅動的兩個半波單元的方向圖。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° 異相信號驅動的兩個元件，得到的輻射圖顯示輻射圖更加集中。隨著元件陣列數量的增加，朝向最終用戶的輻射圖的準確度也有所提升，進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整的任何其他相位延遲。

　　結論

　　相位再同步將 ADF4356 以及類似的 PLL 器件置于已知相位，這樣可以實現許多應用并大大簡化校準程序。