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频率信号跟踪电路即锁相环电路，它是的基本应用电路之一。如图所示为用组成的能够捕捉和跟踪频率为l00～输入信号的锁相环电路。
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锁相环的组成和工作原理
[导读]1．锁相环的基本组成许多电子设备要正常工作，通常需要外部的输入信号与内部的振荡信号同步，利用锁相环路就可以实现这个目的。
锁相环路是一种反馈控制电路，简称锁相环（PLL）。锁相环的特点是：利用外部输入的参
1．锁相环的基本组成
许多电子设备要正常工作，通常需要外部的输入信号与内部的振荡信号同步，利用锁相环路就可以实现这个目的。
锁相环路是一种反馈控制电路，简称锁相环（PLL）。锁相环的特点是：利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。
因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。锁相环在工作的过程中，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保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。
锁相环通常由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）三部分组成，锁相环组成的原理框图如图8-4-1所示。锁相环中的鉴相器又称为相位比较器，它的作用是检测输入信号和输出信号的相位差，并将检测出的相位差信号转换成uD（t）电压信号输出，该信号经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压uC（t），对振荡器输出信号的频率实施控制。
2．锁相环的工作原理
锁相环中的鉴相器通常由模拟乘法器组成，利用模拟乘法器组成的鉴相器电路如图8-4-2所示。
鉴相器的工作原理是：设外界输入的信号电压和压控振荡器输出的信号电压分别为：
式中的&0为压控振荡器在输入控制电压为零或为直流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：
用低通滤波器LF将上式中的和频分量滤掉，剩下的差频分量作为压控振荡器的输入控制电压uC（t）。即uC（t）为：
式中的&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位相，根据相量的关系可得瞬时频率和瞬时位相的关系为：
上式等于零，说明锁相环进入相位锁定的状态，此时输出和输入信号的频率和相位保持恒定不变的状态，uc（t）为恒定值。当上式不等于零时，说明锁相环的相位还未锁定，输入信号和输出信号的频率不等，uc（t）随时间而变。
因压控振荡器的压控特性如图8-4-3所示，该特性说明压控振荡器的振荡频率&u以&0为中心，随输入信号电压uc（t）的变化而变化。该特性的表达式
上式说明当uc（t）随时间而变时，压控振荡器的振荡频率&u也随时间而变，锁相环进入&频率牵引&，自动跟踪捕捉输入信号的频率，使锁相环进入锁定的状态，并保持&0=&i的状态不变。
8．4．2锁相环的应用
1．锁相环在调制和解调中的应用
（1）调制和解调的概念
为了实现信息的远距离传输，在发信端通常采用调制的方法对信号进行调制，收信端接收到信号后必须进行解调才能恢复原信号。
所谓的调制就是用携带信息的输入信号ui来控制载波信号uC的参数，使载波信号的某一个参数随输入信号的变化而变化。载波信号的参数有幅度、频率和位相，所以，调制有调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM）三种。
调幅波的特点是频率与载波信号的频率相等，幅度随输入信号幅度的变化而变化；调频波的特点是幅度与载波信号的幅度相等，频率随输入信号幅度的变化而变化；调相波的特点是幅度与载波信号的幅度相等，相位随输入信号幅度的变化而变化。调幅波和调频波的示意图如图8-4-4所示。
上图的（a）是输入信号，又称为调制信号；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，它可将调制波uO还原成原信号ui。
2．锁相环在调频和解调电路中的应用
调频波的特点是频率随调制信号幅度的变化而变化。由8-4-6式可知，压控振荡器的振荡频率取决于输入电压的幅度。当载波信号的频率与锁相环的固有振荡频率&0相等时，压控振荡器输出信号的频率将保持&0不变。若压控振荡器的输入信号除了有锁相环低通滤波器输出的信号uc外，还有调制信号ui，则压控振荡器输出信号的频率就是以&0为中心，随调制信号幅度的变化而变化的调频波信号。由此可得调频电路可利用锁相环来组成，由锁相环组成的调频电路组成框图如图8-4-5所示。
根据锁相环的工作原理和调频波的特点可得解调电路组成框图如图8-4-6所示。3．锁相环在频率合成电路中的应用
在现代电子技术中，为了得到高精度的振荡频率，通常采用石英晶体振荡器。但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，可以获得多频率、高稳定的振荡信号输出。
输出信号频率比晶振信号频率大的称为锁相倍频器电路；输出信号频率比晶振信号频率小的称为锁相分频器电路。锁相倍频和锁相分频电路的组成框图如图8-4-7所示。
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一种全差分高速锁相环电路的设计与实现
锁相环是模拟及数模混合电路中的基本并非常重要的一个模块，是一个能够跟踪输入信号相位和频率，并输出锁定相位、低抖动的其它频率信号的系统。在系统应用中，它往往是提供完整解决方法的一个强有力的技术手段。但是锁相环的设计过程，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。因此，对锁相环进行较深入的研究，掌握其设计和分析方法，并完善IP库，为系统设计提供单元模块，是非常有必要的。
本文分析了锁相环的基本原理、环路传输特性、噪声性能，并讨论了离散时间模型下的环路噪声特性及环路带宽的优化方法。同时，给出了锁相环各组成单元模块的设计考虑及电路结构的比较。
针对数模混合电路的特点，综合了考虑速度、功耗、面积等方面的因素，设计的电路结构可满足高速、低抖动的要求。本课题所设计的锁相环路适应高频工作环境，电路结构采用当前的主流结构—数模混合结构的电荷泵锁相环。环路中的鉴相器是数字鉴频鉴相器结构，没有反馈回路，提高了工作频率，并且缓解了传统鉴频鉴相器中死区的产生。电荷泵结构也作了一定的改进，使得电荷注入、电荷分享等寄生效应得到了最大程度上的减缓。压控振荡器采用环路振荡器结构，易于集成而且功耗低。采用了源极耦合差分对(SCL)结构作为延时单元的压控振荡器具有良好的线性度、较宽的线性范围以及高的工作频率。分频器采用源极耦合SCL逻辑，可以工作在GHz数量级的频率下。
本设计采用TSMC 0.25μm CMOS工艺模型，电源电压为2.5V。压控振荡器工作在2 GHz时，频偏为1MHz的相位噪声为－86.6dBc/Hz，功耗为24.7mw。
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&>&&>& > 自动相位控制(锁相环)电路原理
自动相位控制(锁相环)电路原理自动相位控制(锁相环)电路原理自动相位控制&&锁相自动相位控制，是指一个自激振荡器的相位，受另一个基准振荡信号相位的控制，这里所说的相位含频率与初相。当这两个振荡信号频率达到相等，且相位差保持同步时，我们称之为&相位锁定&，自动相位控制过程即锁相过程。故常将自动相位控制称之为锁相（PLL）。锁相技术在现代通信系统、电子测量、自动控制等领域中获得广泛地应用。它比用自动频率控制技术进行频率跟踪、稳频等，在性能上优越得多，因为它没有AFC中存在的剩余频差。11.3.1 锁相环的组成及工作过程最基本的锁相环由鉴相器（PD）、环路滤波器（LPF）和压控振荡器（VCO）组成，如图11.4所示。当输入信号与输出信号的频率不相等时，两信号间存在相位差，即相角差 ，鉴相器将此相位差转换为误差电压ud(t)，此电压通过环路（低通）滤波器，滤除高频分量，输出控制电压uc(t) 。 uc(t)控制压控振荡器使其振荡频率接近输入信号频率，通过环路的快速地循环调节，最终使输出信号与输入信号的频率相等，相位差保持恒定，此种工作状态叫环路锁定状态。在锁定状态下，若输入信号频率在一定范围内变化，环路使输出信号的频率跟随输入信号频率变化，这种工作状态叫跟踪状态。原在锁定状态下，若输入信号频率变化超出一定范围，超出了环路的调节能力，使压控振荡器回复到原先的自由振荡状态，输出频率 不再跟踪输入信号频率 的变化而保持不变，此工作状态称失锁状态。在失锁状态下，当输入信号频率回调到环路所能控制的频率时，环路从开始调节到锁定的过程叫捕捉过程，该过程所用的时间称捕捉时间。11.3.2 环路部件如果将输入、输出两信号，经过放大限幅处理，使之成为矩形方波信号，鉴相器仍可用模拟相乘器，或者用逻辑与门、逻辑异或门、异或非门，这些都可以实现鉴相功能。对于数字信号，更多地使用异或门进行鉴相。相对于与门，异或门输出信号速率大于与门输出速率一倍，更有利于后续环路滤波器滤除高频分量，提取相差信号。}