顾名思义，锁相环（PLL）使用鉴相器将反馈信号与参考信号进行比较，将两个信号的相位锁定在一起。虽然该特性仍有许多应用，但目前PLL最常用于频率合成，通常用作频率上/下变频器中的本振（LO），或高速模数转换器（ADC）或数模转换器（DAC）的时钟。

直到最近，很少有人关注这些电路中的相位行为。然而，随着对效率、带宽和性能的需求不断增长，RF工程师必须设计新技术来提高频谱和功率效率。信号相位的可重复性、可预测性和可调性在现代通信和仪器仪表应用中都发挥着越来越重要的作用。

一切都是相对的

(资料图片)

除非相位测量相对于另一个信号或原始相位，否则提及相位测量是没有意义的。例如，双端口网络的矢量网络分析仪（VNA）（如放大器）的相位测量将输出相位称为输入相位ANG（S21）。单个输入的相位将反射相位指向入射相位ANG（S11）。在PLL频率合成器上，相位测量以输入参考相位或从一个信号到另一个信号为参考。与原始相位相比，任何相位测量的圣杯或理想状态都是精确期望值，但非线性、非理想性、温差和电路板走线以及其他制造差异意味着相位是信号生成中更多可变属性之一。就本文而言，术语同相是指具有完全相同的幅度和定时特性的信号;确定性相位意味着它们之间的相位偏移是已知且可预测的。

示波器测量相位

为了比较两个不同频率的相位，高速示波器是比较输出相位和参考相位的相对直观的方法。为了可见，输入和输出相位通常必须是彼此的整数倍。这在许多时钟电路中相对常见。对于整数 N 个 PLL，输入频率 （REF在）和输出频率（射频）外） 通常是确定性和可重复的。只需在两个REF上放置一个示波器探头在和射频外，但请注意仅在确定相位已稳定时才捕获信号。复杂的示波器，如RTO1044，允许事件触发仅在满足某些条件时激活：例如，当特定的数字模式已写入PLL器件并且存在已知信号的上升沿时。鉴于数字模式的写入和最终信号的建立之间可能存在一些延迟，因此在两个事件之间插入一些延迟至关重要，这对于这种特定型号的仪器来说是可能的。

图1中的测量目标是验证ADF4356 PLL相对于已知参考信号（在本例中为另一个编程为相同输出频率的ADF4356）的相位延迟是否恒定且在上电时可重复。为了正确设置仪器，将两个低速探头连接到ADF4356 SPI接口的CLK和数据线。一旦注意到写入特定频率的数字模式，仪器就会等待1秒，然后捕获显示两个PLL输出的时域图。

图1.整数 N 设置。

对于此测量，两个ADF4356 PLL锁定在4 GHz的VCO频率下，并被8 MHz分频至500 MHz，其中一个使用软件省电功能反复关断和打开。示波器在无限持久模式下进行了119次采集，两者之间的相位差恒定且可重复。遵循了许多预防措施，以确保相位差是可重复的。低R分压器值比高R分压器值引入的不确定性更小，因此将VCO输出的分频反馈馈送到N计数器输入至关重要。鉴于ADF4356 PLL和VCO包含1024个不同的VCO频段，因此使用手动校准覆盖程序消除这种不确定性非常重要。

相位再同步定义

相位再同步定义为小数N分频PLL在每个给定频率下返回到相同相位偏移的能力。也就是说，当将通道更改为频率B时，用相位P1观察频率A，当频率重新编程回F1时，观察到相同的原始相位P1。该定义忽略了VCO漂移、漏电流、温度变化等引起的变化。

再同步向小数N分频Σ-Δ调制器发送复位脉冲，使其处于已知的可重复状态。该复位脉冲需要在VCO频段选择和环路滤波器建立时间等频率建立机制完成后施加。其值由寄存器12 中的超时计数器控制。在最近的PLL上，调整此复位脉冲时序的能力使输出信号具有一定程度的可调性，能够以360°/2的步长改变其时序25，这比大多数仪器可以轻松测量的要多。

图2.工作中的小数N分频重新同步，编程范围为4694 MHz至4002.5 MHz。

在本实验中，两个ADF4356 VCO均编程为4002.5 MHz并除以8。第二个PLL被编程为4694 MHz的VCO频率，然后编程回4002.5 MHz。 使用示波器检查PLL的行为，可以看出，在1700次频率变化之后，PLL每次都稳定到相同的相位。

为了表征不同的相位偏移特征，相位字被编程为4194304/225，相当于 90°。对90°、180°、270°和0°的相似值进行了编程，并再次检查示波器图（图3）。

图3.具有可变偏移的相位重新同步。

相对于通道1上的原始信号，观察到四个等间距的信号，确认了具有可编程偏移的相位重新同步的准确性。

此功能非常有用，这意味着可以为每个用户频率创建相位值查找表，并在每次使用时拨入相位值。在将四个LO频率组合成相位的应用中，相位重新同步和失调功能用于调整输出相位，使它们组合在一起，使相位噪声降低6 dB。如果用作可调谐LO（可能在信号分析仪的第一级上），则重新同步和相位偏移功能允许用户在上电时运行一次性校准，以确定每个LO的精确相位值。用作LO时，可以根据需要将相位值编程为每个LO，从而消除了在每个频率下进行校准的过程。

图4.需要精确控制PLL输出相位的相位关键型应用。

对于网络分析仪等相位关键型应用，电路可以在上电时测量每个频率的相位值，然后在LO被扫描到目标范围内时根据需要对其进行编程。

测量相位、矢量信号和网络分析仪

矢量信号和网络分析仪也可用于表征相位行为，尽管它们的用途仅限于将器件的相位与其初始值进行比较。复杂的分析仪，如FSWP，可以置于FM解调模式并选择相位输出。

这对于评估ADF4356 PLL上的相位重同步功能非常有用。下面的曲线（图5）显示ADF4356在5025 MHz输出频率下相位变化180°。

图5.FSUP FM 解调器输出，用于 180° 相位偏移。

相位调整

相位调整功能可避免重置Σ-Δ调制器，只需在现有相位上添加一个介于0°至360°之间的相位字。这在不需要复位相位的应用中很有用。它可用于动态调整相位字，以补偿由于温度等影响引起的已知相位差异。

相位调整在每次更新R0时将相位添加到现有信号中（该值编程为寄存器3）。它不包含像相位再同步那样的复位脉冲。下面的FSWP测量结果显示，原始信号增加了90°（图6）和270°（图7）。在这两种情况下，ADF4356的输出频率在改变相位之前都设置为5025 MHz。

图6.90°变化。

图7.270°变化。

温度范围内的行为

由于电感器的物理参数随温度而变化，因此电气特性也随温度变化而变化，表现为相位变化。为了减轻这种相变，用户可以在所需的相位偏移中编程以保持相同的相位。两个编程为4 GHz输出频率的ADF4356 PLL放置在同一相的同一烘箱室中，彼此密切跟踪相位（图2），因此这证明用户可以根据温度调整相位。

图8.ADF4356温度范围内的相位漂移，在4 GHz VCO频率下测量。

5G

波束成形是一种对 5G 网络架构至关重要的技术。在这些网络中，使用多个天线阵列元件在每个元件上具有不同的相位和幅度，以将天线能量直接引导到最终用户。对于此应用，相位重复性至关重要。LO相位需要可重复用于波束成形，如果相位不确定，则需要通过波束成形电路进行额外校准。

图9显示了两个半晶片波长，相隔四分之一波长并同相驱动。天线辐射方向图几乎是全向的，没有观察到波束成形。图10显示了由信号驱动的两个元件，相位90°，由此产生的辐射图显示了辐射图如何更加聚焦。随着元件阵列数量的增加，这允许对最终用户的辐射图具有更高的精度，从而提高光谱效率。

图9.无波束成形。

图 10.波束成形。

相位再同步功能可确保消除LO相位特性中的不确定性。此外，调整此相位的能力为用户提供了一个额外的杠杆，以克服电路中难以通过波束形成器或基带电路调整的任何其他相位延迟。

结论

相位再同步将ADF4356和类似的PLL器件置于已知相位，这支持许多应用，并大大简化了校准程序。

审核编辑：郭婷