【正文】 用于無(wú)線傳輸、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、移動(dòng)電話(huà)及衛(wèi)星接收系統(tǒng)、汽車(chē)電子系統(tǒng)和測(cè)試儀表等產(chǎn)品中。 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀自1965年第一個(gè)鎖相環(huán)集成產(chǎn)品問(wèn)世以來(lái)，PLL 發(fā)展極為迅速，產(chǎn)品種類(lèi)繁多。這時(shí)的PLL全都是用模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)的?？偟膩?lái)說(shuō)，它朝著集成化、多用化、數(shù)字化的方向發(fā)展?，F(xiàn)在隨著通信行中對(duì)低成本、低功耗、大帶寬、高數(shù)據(jù)傳輸速率的需求， 集成電路不斷朝著高集成度、低功耗的方向發(fā)展。其主要用于對(duì)信號(hào)的調(diào)制。集成電路技術(shù)出現(xiàn)后，直到1965[5]年左右，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，第一塊鎖相環(huán)芯片出現(xiàn)之后，鎖相環(huán)才作為一個(gè)低成本的多功能組件開(kāi)始大量應(yīng)用各種領(lǐng)域。五十年代，隨著空間技術(shù)的發(fā)展，由杰費(fèi)(Jaffe)和里希廷(Rechtin)研制,成功利用鎖相環(huán)路作為導(dǎo)彈信標(biāo)的跟蹤濾波器，他們第一次發(fā)表了含有噪聲效應(yīng)的鎖相環(huán)路線性理論的文章[4]，并解決了鎖相環(huán)路最佳設(shè)計(jì)化問(wèn)題。鎖相技術(shù)首先被用在同步接收中[2]，為同步檢波提供一個(gè)與輸入信號(hào)載波同頻的本地參考信號(hào)，同步檢波能夠在低信噪比條件下工作，且沒(méi)有大信號(hào)檢波時(shí)導(dǎo)致失真的缺點(diǎn)，因而受到人們的關(guān)注，但由于電路構(gòu)成復(fù)雜以及成本高等原因，當(dāng)時(shí)沒(méi)有獲得廣泛應(yīng)用。鎖相環(huán)被廣泛應(yīng)用于各類(lèi)電子產(chǎn)品中，在通信系統(tǒng)、數(shù)字電路、硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)電路及cpu等專(zhuān)用芯片中都是一個(gè)必不可少的單元，并且直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和各項(xiàng)指標(biāo)的好壞，研究鎖相環(huán)對(duì)我國(guó)微電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。長(zhǎng)久以來(lái)，鎖相環(huán)一直是相位相干通信系統(tǒng)的基石。c. 混合鎖相環(huán)：由模擬和數(shù)字電路構(gòu)成，鑒相器和分頻器由數(shù)字電路構(gòu)成，而其他模塊由模擬電路構(gòu)成；其中電荷泵鎖相環(huán)（CPPLL）應(yīng)用最為廣泛。鎖相環(huán)在通信和數(shù)字系統(tǒng)中可以作為時(shí)鐘恢復(fù)電路應(yīng)用；在電視和無(wú)線通信系統(tǒng)中可以用作頻率合成器來(lái)選擇不同的頻道；此外，PLL還可應(yīng)用于頻率調(diào)制信號(hào)的解調(diào)。該模塊用于完成兩個(gè)信號(hào)相位同步的自動(dòng)控制，即鎖相。從鎖相環(huán)的仿真結(jié)果可知，我們的理論研究結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，鎖相環(huán)電路達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。在分析和設(shè)計(jì)的同時(shí)，也采用Matlab軟件對(duì)鎖相環(huán)電路進(jìn)行了仿真。鎖相環(huán)電路是一種輸出信號(hào)在頻率和相位上能夠與輸入?yún)⒖夹盘?hào)同步的電路，鎖相環(huán)由于其具有一系列獨(dú)特的優(yōu)良性能，它已經(jīng)成為通信、雷達(dá)、導(dǎo)航、電子儀器儀表等設(shè)備中不可缺少的一部分。所以這些年來(lái)鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)與研究工作也越來(lái)越受到人們的重視，人們開(kāi)始利用人工計(jì)算或計(jì)算機(jī)軟件來(lái)分析鎖相環(huán)的性能。首先分析了一階鎖相環(huán)和二階鎖相環(huán)的鎖定性能，并進(jìn)行了比較。關(guān)鍵詞　鎖相環(huán)； Matlab；仿真PhaseLocked Loop Design Based on MatlabAbstractWith the development of modern integrated circuit technology, phase locked loop has bee a significant ponent of integrated circuit, which makes the research of phaselocked loop valuable. Phaselocked loop is a kind of circuit that an output signal in the frequency and phase reference signal can be synchronized with the input. Because of a series of uniquely excellent performances, it is being an indispensable part of the equipments such as munication, radar, airmanship, electronic instrument etc. People realize the importance of the design and study of PLL , they e to use artificially calculation or software to analyze the property of PLL.After a deep study of the materials about PLL, this thesis starts with the analysis of the fundamental principles of a phaselocked system , then we build the mathematical model based on the traditional of the PLL, describes the overall PLL circuit and phase detector, loop filter, VCO circuit module, etc, and afterwards investigate some of its characters such as locking performance and stability.In the analysis and design, but also we conducted a phase locked loop circuit simulation by Matlab software. First of all, we analyzed the firstorder phase lock loop and a second order phaselocked loop lock performance, and on the basis of the parison. Secondly we analyzed the damping how to stability of the loop. Finally we introduced the modulation of the phase locked loop. From the simulation results, we know that the theory conclusions and the simulation results fit well phaselocked loop circuit to the design requirements.Keywords　 PLL, simulation, Matlab不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印 II 目 錄摘要…… IAbstract II第1章 緒論 1 課題背景及研究意義 1 發(fā)展歷程 2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 3 鎖相環(huán)的應(yīng)用 5 頻率合成 5 時(shí)鐘產(chǎn)生器 5 時(shí)鐘恢復(fù)電路 6 偏移減小 6 本文的章節(jié)安排及主要內(nèi)容 6第2章 鎖相環(huán)理論 7 基本理論 7 基本模塊 8 鑒相器 8 環(huán)路濾波器 10 壓控振蕩器 11 環(huán)路的相位模型及基本方程 12 環(huán)路性能 12 線性化相位模型和傳遞函數(shù) 13 鎖定狀態(tài)下鎖相環(huán)的動(dòng)態(tài)特性 14 本章小結(jié) 16第3章 鎖相環(huán)仿真 17 Matlab軟件介紹 17 鎖定性能 18 一階鎖相環(huán) 18 二階鎖相環(huán) 19 一階鎖相環(huán)與二階鎖相環(huán)比較 21 環(huán)路性能 21 鑒相器的輸出 22 低通濾波器的輸出 23 壓控振蕩器的輸出 24 穩(wěn)定性能 25 調(diào)制作用 27 本章小結(jié) 28結(jié)論 29致謝 30參考文獻(xiàn) 31附錄A 33附錄B 36千萬(wàn)不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印。它是一個(gè)閉環(huán)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，它將自動(dòng)頻率控制和自動(dòng)相位控制技術(shù)融合，它使我們的世界的一部分有序化[1]，它的輸出信號(hào)能夠自動(dòng)跟蹤輸入信號(hào)的相位變化，也可以將之稱(chēng)為一個(gè)相位差自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，它能夠自動(dòng)跟蹤兩個(gè)信號(hào)的相位差，并且靠反饋控制來(lái)達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出信號(hào)相位的目的。總之，PLL已經(jīng)成為許多電子系統(tǒng)的核心部分。d. 程序鎖相環(huán)：由計(jì)算機(jī)程序構(gòu)成，一般應(yīng)用較少。模擬鎖相環(huán)一直占據(jù)著統(tǒng)治地位。 發(fā)展歷程鎖相環(huán)(PLLPhase Locked L00P)是自動(dòng)頻率控制和自動(dòng)相位控制技術(shù)的融合。到了1943年鎖相環(huán)路第一次應(yīng)用于黑白電視接收機(jī)水平同步電路中，它可以抑制外部噪聲對(duì)同步信號(hào)的干擾，從而避免了由于噪聲干擾引起的掃描隨機(jī)觸發(fā)使畫(huà)面抖動(dòng)的像，使熒光屏上的電視圖像穩(wěn)定清楚?？臻g技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了人們對(duì)鎖相環(huán)路及其理論的進(jìn)一步探討，極大地推動(dòng)了鎖相技術(shù)的發(fā)展。最初的鎖相環(huán)是純模擬的(APLL)，所有的模塊都由模擬電路組成，它大多由四象限模擬乘法器來(lái)構(gòu)建環(huán)路中的鑒相器，環(huán)路濾波器為低通濾波器(由電阻R電容C組成)，壓控振蕩器的結(jié)構(gòu)多種多樣。70年代，林特賽(Undsy)和查理斯(Chanes)在做了大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了有噪聲的一階、二階及高階PLL的非線性理論分析。低功耗、高工作頻率、低電壓的鎖相環(huán)設(shè)計(jì)中，主要的挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)合適的壓控振蕩器和高頻率的分頻器，針對(duì)這方面的研究，設(shè)計(jì)師們不斷提出不同的技術(shù)，如壓控振蕩器和分頻器由原來(lái)的串接改為堆疊結(jié)構(gòu)、DHPLL結(jié)構(gòu)等，隨著設(shè)計(jì)人員的不斷努力，鎖相壞的性能不斷提高，現(xiàn)在已經(jīng)有工作頻率達(dá)50GHz的鎖相環(huán)，同時(shí)也在通信和航空航天等領(lǐng)域中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作要。在鎖相環(huán)發(fā)展之初，都是由分立元器件組成的，電路復(fù)雜,調(diào)整困難。PLL成為了當(dāng)時(shí)模擬電路設(shè)計(jì)中的又一大模塊。一些國(guó)際跨國(guó) IC 公司以已研發(fā)出了高性能 PLL 芯片產(chǎn)品，以下舉例介紹。2007年4月，發(fā)布了業(yè)界首款帶高電壓的電荷泵PLL頻率合成器。2008年8月，推出的LMX2346及LMH2347是兩款高性能的頻率合成器，用該公司的先進(jìn)BiCMOS工藝技術(shù)制造，采用專(zhuān)有的數(shù)字鎖相環(huán)路技術(shù)，可以為超高頻（UHF）及甚高頻（VHF）的壓控振蕩器提供極穩(wěn)定而噪聲較少的控制信號(hào)。芯片ZL30461滿(mǎn)足OC12光學(xué)載波12級(jí)的通信要求(速率可以達(dá)到12*)，ZL30414可工作在光學(xué)載波第192級(jí)線路速率的光學(xué)線路卡上。富士通用的是自己的Bi CMOS RF 工藝,同時(shí)它也具有相關(guān)的其他產(chǎn)品，如VCO，Resonators 等。它們分別屬于光纖傳輸系統(tǒng)中的復(fù)接器、激光驅(qū)動(dòng)器、放大器、時(shí)鐘恢復(fù)、數(shù)據(jù)判決和分接器的核心芯片，形成了完整的系列。比如，2009 年 4 月，美芯（MC Devices）公司推出了 MCD2006 鎖相環(huán)芯片，大幅提升紅外麥克風(fēng)性能；浩凱微電子公司自主研發(fā)出高性能時(shí)鐘鎖相環(huán) IP 系列產(chǎn)品Haokai_PLL_130SMIC01~04，廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外高性能微處理器和 SOC[6]產(chǎn)品，提供高速時(shí)鐘以及進(jìn)行時(shí)鐘的頻率合成。 頻率合成在許多應(yīng)用系統(tǒng)中，系統(tǒng)往往需要不同頻率的時(shí)鐘信號(hào)或者要求頻率不斷改變的時(shí)鐘。圖11頻率合成器其中，信道選擇電路是數(shù)字部分，用以改變分頻比。這個(gè)延時(shí)使輸入輸出信號(hào)有很長(zhǎng)的建立和保持時(shí)間，并且對(duì)高時(shí)鐘頻率系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是個(gè)限制。目前鎖相環(huán)電路已經(jīng)以核的形式成為系統(tǒng)級(jí)芯片里的一個(gè)重要模塊。 偏移減小鎖相環(huán)消除延時(shí)如圖12所示：圖12鎖相環(huán)消除延時(shí)在高速數(shù)字系統(tǒng)中，通過(guò)印制版(PCB)進(jìn)人系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)CKin，會(huì)通過(guò)緩沖器(Buffer)來(lái)調(diào)整波形，并驅(qū)動(dòng)電路。在低功耗系統(tǒng)中，一個(gè)重要的因素是鎖定時(shí)間。 本文的章節(jié)安排及主要內(nèi)容本文主要針對(duì)鎖相環(huán)的基本功能和工作狀態(tài)進(jìn)行了仿真，章按照設(shè)計(jì)流程自頂向下順序展開(kāi)。鎖相環(huán)通常由鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LF）和壓控振蕩器（VCO）三部分組成，鎖相環(huán)組成的原理框圖如圖21所示。VCO 受控制電壓的控制，使壓控振蕩器的頻率向參考信號(hào)的頻率靠近，也就是使兩者頻率之差越來(lái)越小，直至消除頻差而鎖定。當(dāng)上式不等于零時(shí)，說(shuō)明鎖相環(huán)的相位還未鎖定，輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的頻率不等，隨時(shí)間而變化。鑒相器的形式有很多，按其鑒相特性分，有正弦形，三角形和鋸齒形等。式中為參考信號(hào)以其載波相位 為參考時(shí)的瞬時(shí)相位。當(dāng)在0附近時(shí)，可以近似為： （210）圖24正弦鑒相器數(shù)學(xué)模型圖 圖25正弦鑒相器的鑒相特性鑒相器有兩個(gè)主要功能：一個(gè)是頻率牽引，另一個(gè)是相位鎖定。90176。]中，要考慮鑒相器輸入的兩個(gè)信號(hào)是對(duì)稱(chēng)的還是非對(duì)稱(chēng)的，如是非對(duì)稱(chēng)還要考慮其對(duì)PLL增益及鎖相寬度的影響；。其優(yōu)勢(shì)就在于失鎖時(shí)，它的角頻率容易描述。]。常用的環(huán)路濾波器有RC積分濾波器[8]、無(wú)源比例積分濾波器。圖28無(wú)源比例積分濾波器它的傳輸函數(shù)為： （213）式中，變換為拉普拉斯形式，則得 （214） 壓控振蕩器壓控振蕩器（VCO）是一個(gè)電壓－頻率變換裝置，在環(huán)路中作為被控振蕩器，它的振蕩頻率應(yīng)隨輸入控制電壓線性地變化，即 （215）式中是 VCO 的瞬時(shí)角頻率；為控制靈敏度或稱(chēng)增益系數(shù)，單位是（rad/s它是壓控振蕩器未加控制電壓而僅有偏壓時(shí)的振蕩頻率， 以 為中心而變化。 在鎖相環(huán)路中，壓控振蕩器的輸出對(duì)鑒相器起作用的不是瞬時(shí)角頻率而是它的瞬時(shí)相位 （216）將此式與式（27）相比較，可知以為參考的輸出瞬時(shí)相位為 （217）改寫(xiě)成算子形式為 （218）由此可見(jiàn)，VCO 在鎖相環(huán)中起了一次積分作用,因此也稱(chēng)它為環(huán)路中的固有積分環(huán)節(jié)[9]。圖211基本鎖相環(huán)相位