鑒相器的基本原理和分類

鑒相器作為環(huán)路的關(guān)鍵模塊，主要鑒別參考頻率和反饋信號(hào)的相位關(guān)系，對(duì)于環(huán)路精度和頻率捕捉范圍起到?jīng)Q定性作用。

01鑒相器基本原理

基本原理：把輸入信號(hào)和鎖相環(huán)的輸出信號(hào)的相位進(jìn)行比較，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于兩信號(hào)相位差ΔФ中的誤差電壓Vout，使鎖相環(huán)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定輸出。

某種非線性鑒相特性曲線圖

從頻率源設(shè)計(jì)考慮：在鑒相器芯片選型時(shí)，不僅需要關(guān)注鑒相器噪聲基底，鑒相頻率還要關(guān)注鑒相器N分頻器射頻輸入頻率范圍等。輸出端信號(hào)帶內(nèi)相位噪聲PN計(jì)算公式如下：

PDfloor為鑒相器的相位噪聲基底，fPD為鑒相頻率，fOUT為壓控振蕩器輸出的頻率。N為輸出頻率和鑒相頻率的比值，當(dāng)輸出信號(hào)頻率一定時(shí)，將鑒相頻率增大為原來的10倍時(shí)，可編程分頻器的分頻比N將減小為原本的1/10。則基本單環(huán)鎖相環(huán)輸出信號(hào)總的相位噪聲由于鑒相頻率增大10倍會(huì)增加10dB，同時(shí)由于環(huán)路分頻比N減小10倍而降低20dB。因此整體會(huì)使鎖相環(huán)輸出信號(hào)總的相位噪聲改善10dB。由此可知，提高鑒相頻率會(huì)改善系統(tǒng)的總相噪，同時(shí)還可以通過環(huán)路減小分頻比N、使用歸一化相位噪聲更小的鑒相器等方法來減小環(huán)路系統(tǒng)輸出總的相位噪聲。

因此需根據(jù)相位噪聲的指標(biāo)要求，合理設(shè)計(jì)鑒相頻率和分頻比，并選滿足指標(biāo)的鑒相器。

鑒相器ADF4002關(guān)鍵參數(shù)：

設(shè)計(jì)鑒相器主要指標(biāo)：鑒相靈敏度、鑒相范圍-角度、死區(qū)、工作頻率、噪聲。

鑒相器也經(jīng)常和電荷泵一起集成設(shè)計(jì)。

02稍微拓展

鑒相器又分：模擬鑒相器和數(shù)字鑒相器兩種

數(shù)字鑒相器

數(shù)字類鑒相器全部采用數(shù)字電路，工作速度快，但是工作頻率較低并且存在鑒相死區(qū)的問題。該類鑒相器，其輸入信號(hào)與輸出信號(hào)不僅能頻率相等，而且保持相位相同，使輸出信號(hào)和輸入信號(hào)保持完全同步，有的能同時(shí)鑒頻鑒相。

數(shù)字鑒相器檢測(cè)輸入信號(hào)與反饋信號(hào)之間的頻差或者相差，產(chǎn)生直流電壓來控制電荷泵充放電，控制壓控振蕩器的輸出頻率。如果反饋的頻率與輸入頻率不相等時(shí)，則鑒頻鑒相器首先進(jìn)行鑒頻，通過比較反饋信號(hào)與輸入的頻差產(chǎn)生電壓，作用在電荷泵，使環(huán)路濾波器的輸出電壓改變。通過電壓的作用使輸出頻率向輸入頻率逐漸靠近，直到輸出與輸入頻率相等時(shí)，鑒頻鑒相器才會(huì)開始鑒相工作，比較輸入頻率與輸出頻率的相差，產(chǎn)生控制電壓使兩者的相位差恒定。

從數(shù)字鑒相器的結(jié)構(gòu)分類：普通型邊沿觸發(fā)式PFD、預(yù)充電式PFD、TSPC和全差分邊沿觸發(fā)式PFD;從鑒相器的鑒相范圍不同，可以分為以下三類：

三態(tài)PFD三種不同的狀態(tài)：在初始狀態(tài)時(shí)、復(fù)位狀態(tài)UP和DN均為0，表明此時(shí)fref和fdiv信號(hào)均沒有上升沿到達(dá)，即fref和fdiv信號(hào)同時(shí)為高電平或同時(shí)為低電平;當(dāng)PFD先檢測(cè)到fref信號(hào)的上升沿時(shí)，參考fref信號(hào)相位超前，此時(shí)輸出UP=1，DN=0;當(dāng)PFD先檢測(cè)到fdiv信號(hào)的上升沿時(shí)時(shí)，輸出fdiv信號(hào)相位超前，此時(shí)輸出UP=0，DN=1。

fref相位超前fdiv

fref相位滯后fdiv

fref與fdiv同頻同相

模擬鑒相器

模擬類鑒相器工作頻率較高，但是鑒相靈敏度低并且存在零點(diǎn)漂移的問題。

根據(jù)模擬鑒相器的電路結(jié)構(gòu)不同，主要有以下幾種類型：混頻型鑒相器、一階采樣保持鑒相器和諧波采樣鑒相器等。采樣鑒相器的電路比混頻型鑒相器要復(fù)雜，但是可以提供優(yōu)于前兩種的參考激勵(lì)邊帶抑制和更低的噪聲。

根據(jù)模擬鑒相器的混頻器件不同分為：無源鑒相器，微帶線功分鑒相器和平衡鑒相器;有源鑒相器，模擬乘法器為主，有源器件的增益較高和線性度較好等優(yōu)點(diǎn)在信號(hào)處理電路中得到較高的應(yīng)用。

根據(jù)模擬鑒相器中器件的線性度，大體上分為線性鑒相器和非線性鑒相器兩種。線性，這種鑒相器的優(yōu)點(diǎn)是鑒相增益高、端口隔離度好;缺點(diǎn)是鑒相范圍較小，頻率范圍較低，用于處理較低頻率的輸入信號(hào)。非線性，此電路一般采用高頻或微波二極管MESFET(金屬-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)及HEMT器件(高電子遷移率器件)來設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，處理頻率較高，帶寬較寬，但其增益和集成度較低，一般用于處理較高頻率的輸入信號(hào)。

模擬鑒相器根據(jù)鑒相波形和特性的不同，有正弦形特性、鋸齒形特性和三角波特性等。常用的正弦鑒相器可用模擬相乘器與低通濾波器的相連作為簡(jiǎn)單模型。