原创 锁相环:PLL和DLL

2009-3-5 11:40 8027 14 14 分类: 工程师职场

锁相环(phase-locked loop):是指一种电路或者模块,它用于在通信的接收机中,其作用是对接收
到的信号进行处理,并从其中提取某个时钟的相位信息。或者说,对于接收到的信号,仿制一个时钟信号,使得这两个信号从某种角度来看是同步的(或者说,相干的)。

由于锁定情形下(即完成捕捉后),该仿制的时钟信号相对于接收到的信号中的时钟信号具有一定的相差,所以很形象地称其为锁相器。

而一般情形下,这种锁相环的三个组成部分和相应的运作机理是:

1 鉴相器:用于判断锁相器所输出的时钟信号和接收信号中的时钟的相差的幅度;

2 可调相/调频的时钟发生器器:用于根据鉴相器所输出的信号来适当的调节锁相器内部的时钟输出信号的频率或者相位,使得锁相器完成上述的固定相差功能;

3 环路滤波器:用于对鉴相器的输出信号进行滤波和平滑,大多数情形下是一个低通滤波器,用于滤除由于数据的变化和其他不稳定因素对整个模块的影响。

从上可以看出,大致有如下框图:


  
  ┌───────┐   ┌───────┐      ┌──────────┐   
→─┤ 鉴相器 ├─→─┤环路滤波器├─→─┤受控时钟发生器 ├→┬─→
  └──┬────┘   └───────┘   └──────────┘ │   
     ↑                         ↓
    └───────────────────────────────────┘

可见,是一个负反馈环路结构,所以一般称为锁相环(PLL: Phase Locking Loop)

锁相环有很多种类,可以是数字的也可以是模拟的也可以是混合的,可以用于恢复载波,也可以用于恢复基带信号时钟。


 


有关锁相环环.


   锁相环通常分两种:DLL和PLL。DLL(DELAY LOCKED LOOP) PLL(PHASE LOCKED LOOP)


   PLL的特点


       1。 输出时钟有内部VCO自振产生,把输入参考时钟和反馈时钟的变化转换为电压信号间接地控制VCO的输出频率。


       2。 VCO输出频率有一定的范围,如果输入时钟频率超过这个频率,则锁相环不能锁定。


       3。 低通滤波可以过滤输入时钟的高频抖动,其输出时钟的抖动主要来自vco本身以及电源噪声,而不是输入时钟带入得抖动。


       4。 由于是模拟电路,所以对电源噪声敏感,在设计PCB的时候,一般需要单独的模拟地。


   DLL的特点


       1。时钟输出真实,及时地反映输入时钟,跟踪时钟输入迅速。


       2。能锁定的输入时钟频率范围较宽,但是由于延时电路的纵延时有限,所以不能锁定时钟频率过低的输入时钟。


       3。不能过过滤时钟源的抖动,会引入固有抖动,造成抖动积累。


       4。用数字电路实现,对电源噪声不敏感。


 


从应用上看
     DLL即Delay Lock Loop, 主要是用于产生一个精准的时间延迟, 且这个delay不随外界条件如温度,电压的变化而改变.这个delay是对输入信号的周期做精确的等分出来的, 比如一个输入信号周期为20ns, 可以设计出等分10份的delay, 即最小2ns的delay. 这在高速界面做clock recovery and data recovery上很有用处。 由于普通的delay cell在不同的corner其delay会发生很大的变化(FF与SS相差几乎3倍), 有时候会被迫采用DLL来产生一个精准的delay而不是用普通的delay cell.

    而PLL即Phase lock loop, 主要是根据一个输入时钟产生出一个与输入时钟信号in phase的倍/除频时钟, 其中倍频时钟和输入、输出时钟in phase是最主要的应用。

从内部结构上来看
     DLL只有一个大的反馈环来调节最后1T后的信号与输入信号in phase来保证delay 出来的结果是对输入信号周期的均分,如示意图DLL.jpg; 输出信号只是对输入信号的一个delay, 即为同频且有一个固定的phase差,同时由于输出信号与输入直接关联,输入信号的jitter,frequency 漂移会直接反映在输出信号上。在实现上,可以是模拟电路也可以是数字电路实现,但绝大多数应该是模拟电路实现比较好,因为需要调节电压来补偿环境变化带来的delay 变化。

     PLL除了有一个大的反馈环来让PLL振出的clock与reference clock in phase,内部还有一个小的ring oscillatorl来振出想要的clock,如示意图PLL.jpg。由于输出clock是由一个单独的ring oscillator振出来的,所以与reference clock的jitter,frequency漂移几乎完全无关。但由于是内部自己起振,所以比DLL要复杂。这个以前也有提过数字PLL, 但做出来的数字PLL振出来的clock很差,就几乎没有提数字PLL, 而是采用模拟电路来做。


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DLL.JPG


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PLL.JPG

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