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前 言

锁相环(PLL)是一个能够跟踪输入信号相位的闭环自动控制系统。它在无线电技术的各个领域得到了很广泛的应用。最初，DeBellescize于1932年提出同步检波理论，首次公开发表了对锁相环路的描述，但并未引起普遍关注。直至1947年，锁相环路才第一次应用于电视接收机水平和垂直扫描的同步。从此，锁相环路开始得到了应用。由于技术上的复杂性以及较高的成本，应用锁相环路的领域主要集中于航天方面，包括轨道卫星的测速定规和深空探测等。性能要求较高的精密测量仪器和通信设备有时也用到它。到70年代，随着集成电路技术的发展，逐渐出现了集成的环路部件、通用单片集成锁相环路以及多种专用集成锁相环路，锁相环逐渐变成了一个成本低、使用简单的多功能组件，这就为锁相技术在更广阔的领域应用提供了条件。随着数字技术的发展，相应出现了各种数字锁相环，它们在数字信号传输的载波同步、位同步、相干解调等方面发挥了重要的作用。

在锁相环的开发、设计研究领域，目前已经探索出多种途径。Lindsey和Chie 讲述了到1981年他们在该领域出色完成的理论研究和实验工作。不过，大量的研究都致力于通过不同的方式实现环路鉴相器的机械化，而对于环路滤波器的设计研究则较少。典型的设计方法只是简单地实现了在模拟锁相环中应用广泛的离散式环路滤波器。这种方法存在缺陷，因为在设计过程中没有考虑到在任何采样数据系统中都固有的计算延迟。这些延迟会使环路带宽比根据连续时间方程计算出的结果更宽，指定带宽和动态下的稳态相位误差也会更大，进而降低整个环路的稳定性。

长久以来，锁相环一直是相位相干通信系统的基石。模拟锁相环一直占据着统治地位。随着微电子学领域的快速发展，具备巨大优势的数字化系统开始取代相应的模拟系统。目前的趋势是用数字化方式设计和实现锁相环。

第一章 绪 论

1．1 锁相环的发展及国内外研究现状

锁相环(PLL-Phase Locked L00P)是自动频率控制和自动相位控制技术的融合。人们对锁相环的最早研究始于20世纪30年代，其在数学理论方面的原理，30年代无线电技术发展的初期就己出现。1930年建立了同步控制理论的基础，1932年法国工程师贝尔赛什(Bellescize)发表了锁相环路的数学描述和同步检波论，第一次公开发表了对锁相环路的数学描述【1】。锁相技术首先被用在同步接收中，为同步检波提供一个与输入信号载波同频的本地参考信号，同步检波能够在低信噪比条件下工作，且没有大信号检波时导致失真的缺点，因而受到人们的关注，但由于电路构成复杂以及成本高等原因，当时没有获得广泛应用。 到了1943年锁相环路第一次应用于黑白电视接收机水平同步电路中，它可以抑制外部噪声对同步信号的干扰，从而避免了由于噪声干扰引起的扫描随机触发使画面抖动的象，使荧光屏上的电视图像稳定清。随后，在彩色电视接收机中锁相电路用来同步彩色脉冲串。从此，锁相环路开始得到了应用，迅速发展。

五十年代，随着空间技术的发展，由杰费(Jaffe)和里希廷(Rechtin)研制成功利用锁相环路作为导弹信标的跟踪滤波器，他们第一次发表了含有噪声效应的锁相环路线性理论析文章，并解决了锁相环路最佳设计化问题【2】。空间技术的发展促进了人们对锁相环路及其理论的进一步探讨，极大地推动了锁相技术的发展。

六十年代初，维特比(Viterbi)研究了无噪声锁相环路的非线性理论问题， 发表了相干通信原理的论文。最初的锁相环都是利用分立元件搭建的，由于技术和成本方面的原因，所以当时只是用于航天、航空等军事和精密测量等领域。集成电路技术出现后，直到1965年左右，随着半导体技术的发展，第一块锁相环芯片出现之后【3】，锁相环才作为一个低成本的多功能组件开始大量应用各种领域。最初的锁相环是纯模拟的(APLL)，所有的模块都由模拟电路组成，它大多由四象限模拟乘法器来构建环路中的鉴相器，环路滤波器为低通滤波器(由电阻R电容C组成)，压控振荡器的结构多种多样。由于APLL在稳定工作时，各模块都

可以认为是线性工作的，所以也称为线性锁相环LPLL(Linear Phase．hckedbop)。APLL对正弦特性信号的相位跟踪非常好，它的环路特性主要由鉴相器的特性决定。其主要用于对信号的调制。

70年代，林特赛(Undsy)和查理斯(Chanes)在做了大量实验的基础上进行了有噪声的一阶、二阶及高阶PLL的非线性理论分析。随着人们对锁相技术的理论和应用进行的深入广泛的研究，伴随着数字电路的发展，鉴相器部分开始由数字电路代替，其它部分仍为模拟电路，这种锁相环就是最初的数字锁相环(DPLL)，准确的名称为数模混合锁相环(Mixed-single PLL)。随着数模混合锁相环技术和理的不断发展和完善，其成为了锁相环的主流。

现在随着通信行中对低成本、低功耗、大带宽、高数据传输速率的需求， 集成电路不断朝着高集成度、低功耗的方向发展【4】。低功耗、高工作频率、低电压的锁相环设计中，主要的挑战是设计合适的压控振荡器和高频率的分频器，针对这方面的研究，设计师们不断提出不同的技术，如压控振荡器和分频器由原来的串接改为堆叠结构、DH-PLL结构等，随着设计人员的不断努力，锁相坏的性能不断提高，现在已经有工作频率达50GHz的锁相环，同时也在通信和航空航天等领域中发挥着越来越重要的作要。

国外自第一个锁相环集成产品问世以来，几十年问发展极为迅速，产品种类繁多，工艺日新月异。目前，除某些特殊用途的锁相环路外，几乎全部集成了，已生产出数百个品种。现在，锁相技术己经成为一门系统的理论科学，它在通信、雷达、航天、精密测量、计算机、红外、激光、原子能、立体声、马达控制以及图像等技术部门获得了广泛的应用。

美国国家半导体（Nation Semi Conductor）于2003年6月宣布推出的LMx243x系列锁相环芯片，其操作频率高达3GHz以上，适用于无线局域网、5.8GHz室内无绳电话、移动电话及基站等应用方案。低功耗、超低的相位噪声(正常化相位噪音可达到—219dBcmz)使其突显优势。

国内的浩凯微电子(上海)有限公司于2007年底研发出具有完全自主知识产权的高性能时钟锁相环IP系列产品，目前该系列产品已经过MPW硅验证。该锁相环系列采用全新的结构，独特的电荷泵和差分VCO的设计，可以抑制电源和衬底噪声对VCO的影响以确保PLL有非常低的噪声，差分VCO的独特设计可

以输出时钟维持50％占空比且与VCO同频，由于不需要倍频振荡，VCO本身的功耗可降为常规设计的四分之一，有效降低了功耗。相比国外而言，我国国内的IC设计水平相对比较落后，模拟设计环节更是薄弱，PLL的技术几乎被国外垄断，国内很少有企业掌握高性能PLL核心技术， 产品更是少。CPPLL作为应用最广泛的一种锁相环，虽然它的理论己经比较成熟，但是它的设计与实现涉及到信号与系统、集成电子学、版图、半导体工艺和测试等方面，难度比较大。

1．2 本文的主要内容组织

第一章对锁相环的发展和国内外研究现状进行了介绍，说明了本课题研究的 重要意义。

第二章介绍了锁相环的基本原理，介绍了锁相环的基本构成、数学模型、工作状态及、信号流程应用及信号流程。

第三章分析了了锁相环噪声的产生原因，并在数学模型上作了说明，并给出了设计建议。

第四章是二阶环仿真源程序代码及仿真结果。

第二章 锁相环的基本理论