模拟IC设计原理图4：锁相环(PLL)的工作原理

“锁相环是一种反馈系统，其中电压控制振荡器和相位比较器相互连接，使得振荡器频率(相位)可以准确跟踪施加的频率或相位调制信号的频率。 锁相环可用来从固定的低频信号生成稳定的输出频率信号。 ”

在这里我们首先根据上图锁相环的结构来说明每一个模块的功能，然后综合每一个模块的功能说明锁相环的原理，并展示出我们个人搭建的锁相环的仿真结果，效果肯定是不如工业级锁相环的，仅供参考。

锁相环中每一个模块的作用

VCO的Symbol

要想讨论清楚鉴频鉴相器(PFD)，我们得继续来看整体得锁相环结构如上图，在这里我们可以看到，这是一个反馈系统，输出信号通过接线传输回鉴频鉴相器，形成一个环路，这与我们之前学模电是看到得输入信号与输出信号同时输入到一个运放或者是加法器的结构是相通的，他们都是反馈系统，不过这里不同的是输入信号与输出信号都传输进了一个名为鉴频鉴相器的信号处理器件。那么这个信号处理器件有什么功能呢？

我们要求这个器件能对如下条件做出响应，由此我们就能通过负反馈使得输出信号的频率不断地接近输入信号的频率。

• 输出信号与输入信号频率不同时，鉴频鉴相器输出一个电压反映两个信号频率还不相等。
• 输出信号与输入信号相位不同时，鉴频鉴相器输出一个电压反映两个信号相位还不相等。
• 当输入信号与输出信号同频同相时，鉴频鉴相器没有信号输出。

同频不同相

不同频率

d.电荷泵

章节总结由此我们我们通过这四个模块连接成的一个反馈环路，我们实现了对输出信号频率上的负反馈，由此使得输出信号始终会跟踪输入信号的频率和相位，并与输入信号的频率、相位保持一致。有了对锁相环的清晰理解，那么我们也就能理解开头我们放的那张倍频功能电路的原理了。

总体原理叙述：由振荡器（OSC）为鉴频鉴相器（PFD）提供参考电压，VCO输出电压后反馈到PFD，并通过PFD与输入信号进行比较，PFD对两者的相位误差进行检测，提供一个与相位差相关的电压信号，经过电荷泵(CP)后电压信号转换成电流信号，信号流经低通滤波器后，转化成一个储存下来的电压，信号继续传入压控振荡器（VCO），由此提供一个调整过后的反馈信号，由此循环往复，直至输出信号与PFD参考信号同频同相。

附：总体上鉴频鉴相器分为两种，带有电压输出的PFD和带有电流输出的PFD，后者就是通常所指的电荷泵。电压输出型PFD通常容易使得频率合成器的输出信号产生不理想的杂散频率，但是这种情况通常在电流输出型PFD中不存在，所以在实际应用中电流型输出的PFD更为常用。

锁相环顶层原理图

不考虑加入分频器的锁相环结构：

锁相环顶层原理图

但是这里的输出信号并不是50%占空比，这里面似乎有点问题，我们目前还拿不准问题出在哪里，需要请教一下各位，欢迎大家评论。