锁相环(PLL)电路存在于各种高频应用中，从简单的时钟净化电路到高性能无线电通信链路的本地振荡器(LO ),以及矢量网络分析仪(VNA)中的超快速开关频率合成器。
锁相环(PLL)是一种反馈系统，其中压控振荡器和相位比较器相互连接，使得振荡器的频率(相位)可以精确地跟踪所施加的频率或相位调制信号的频率。锁相环可以用来从固定的低频信号中产生稳定的输出频率信号。第一个锁相环是由法国工程师de Bellescize在20世纪30年代初实现的。然而，直到20世纪60年代中期，集成PLL才成为成本相对较低的元件，PLL才得到市场的广泛认可。
01锁相环的基本组成很多电子设备通常需要外部输入信号与内部振荡信号同步才能正常工作。这可以通过使用锁相环来实现。
锁相环(PLL)是一种反馈控制电路。PLL的特征在于环路内部振荡信号的频率和相位由外部输入参考信号控制。
锁相环通常用于闭环跟踪电路，因为它能自动跟踪输出信号的频率到输入信号的频率。在锁相环的工作过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压的相位差是固定的，即输出电压与输入电压的相位被锁定，这就是锁相环名称的由来。
锁相环通常由三部分组成：鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)和压控振荡器(VCO)。锁相环的原理框图如图8-4-1所示。
锁相环中的鉴相器也称为相位比较器。其作用是检测输入信号和输出信号之间的相位差，并将检测到的相位差信号转换成uD(t)电压信号输出。该信号由低通滤波器滤波以形成压控振荡器的控制电压uC(t ),其控制振荡器输出信号的频率。
02锁相环的工作原理
锁相环中的鉴相器通常由模拟乘法器构成，由模拟乘法器构成的鉴相器电路如图8-4-2所示。
鉴相器的工作原理是：设外部输入的信号电压和压控振荡器输出的信号电压为：
(8-4-1)
(8-4-2)
公式中的0是压控振荡器在输入控制电压为零或DC电压时的振荡角频率，称为电路的固有振荡角频率。则模拟乘法器的输出电压uD为：
上述公式中的和频分量被低通滤波器LF滤波，剩余的差频分量被用作压控振荡器的输入控制电压uC(t)。uC(t)为：
(8-4-3)
公式中I为输入信号的瞬时振荡角频率，i(t)和o(t)分别为输入信号和输出信号的瞬时相位。根据相量关系，瞬时频率和瞬时相位之间的关系可以如下获得：
也就是(8-4-4)
那么，瞬时相位差d为
(8-4-5)
通过对两边进行微分，频率差的关系可以如下获得
(8-4-6)
等式等于零，表示锁相环处于锁相状态。此时，输出和输入信号的频率和相位保持恒定，uc(t)是恒定值。当上述等式不等于零时，意味着PLL的相位没有被锁定，输入信号和输出信号的频率不同，uc(t)随时间变化。
由于压控振荡器的压控特性如图8-4-3所示，该特性表明压控振荡器的振荡频率u以0为中心，随着输入信号电压uc(t)的变化而变化。该属性的表达式为
(8-4-6)
上述公式表明，当uc(t)随时间变化时，压控振荡器的振荡频率u也随时间变化，锁相环进入频率牵引自动跟踪和捕获输入信号的频率，使p
为了实现信息的远距离传输，发送方通常采用调制方式对信号进行调制，接收方必须对信号进行解调才能恢复原始信号。
所谓调制，就是利用携带信息的输入信号ui来控制载波信号uc的参数，使载波信号的某个参数随着输入信号的变化而变化。载波的参数包括幅度、频率和相位，因此有三种调制方式：调幅、调频和调相。
调幅波的特征在于其频率等于载波信号的频率，并且其幅度随着输入信号的幅度而变化。调频波的特点是振幅与载波信号的振幅相等，频率随输入信号的振幅而变化。相位调制的特点是幅度等于载波信号的幅度，相位随输入信号的幅度而变化。调幅波和调频波示意图如图8-4-4所示。
(A)上图中是输入信号，也称为调制信号；图(b)是载波信号，图(c)是调幅波和调频波信号。
解调是调制的逆过程，可以将调制波uo恢复为原始信号ui。
[2]PLL在调频解调电路中的应用
调频波的特点是其频率随调制信号的幅度而变化。从方程8-4-6可以看出，压控振荡器的振荡频率取决于输入电压的幅度。当载波信号的频率等于锁相环的固有振荡频率0时，压控振荡器的输出信号的频率将保持0。如果压控振荡器的输入信号除了PLL低通滤波器输出的信号uc之外还包括调制信号ui，则压控振荡器的输出信号的频率是以0为中心并随调制信号的幅度而变化的调频波信号。因此，调频电路可以由锁相环组成。锁相环构成的调频电路框图如图8-4-5所示。
根据锁相环的工作原理和调频波的特点，解调电路框图如图8-4-6所示。
如果环路的通带足够宽，使信号的调制频谱落在输入FM信号时的带宽内，那么压控振荡器的频率跟踪输入调制的变化，如图6.1所示。有关PLL的详细分析，请参考有关PLL技术的书籍。这里只说明PLL的鉴频原理。可以简单地认为，压控振荡器的频率与输入信号的频率之间的跟踪误差可以忽略不计。因此，在任何时刻，压控振荡器的频率v(t)都等于FM波的瞬时频率FM(t)。
[3]PLL在频率合成电路中的应用
在现代电子技术中，为了获得高精度的振荡频率，通常使用石英晶体振荡器。然而，石英晶体振荡器的频率不容易改变。利用锁相环、倍频、分频等频率合成技术，可以获得多频、高稳定度的振荡信号输出。
如果输出频率高于晶振信号的频率，则称为锁相倍频电路。输出信号的频率小于晶振信号的频率，称为锁相分频器电路。锁频和锁频电路的框图如图8-4-7所示。
当图中n大于1时，为分频电路；当n小于1时，为倍频电路。
编辑：李倩
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