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的相位關(guān)系，對于環(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：把輸入信號和鎖相環(huán)的輸出信號的相位進(jìn)行比較，產(chǎn)生對應(yīng)于兩信號相位差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)計考慮：在鑒相器芯片選型時，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。輸出端信號帶內(nèi)相位噪聲PN計算公式如下：

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)輸出信號頻率一定時，將鑒相頻率增大為原來的10倍時，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)輸出信號總的相位噪聲由于鑒相頻率增大10倍會增加10dB，同時由于環(huán)路分頻比N減小10倍而降低20dB。因此整體會使鎖相環(huán)輸出信號總的相位噪聲改善10dB。由此可知，提高鑒相頻率會改善系統(tǒng)的總相噪，同時還可以通過環(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。

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，其輸入信號與輸出信號不僅能頻率相等，而且保持相位相同，使輸出信號和輸入信號保持完全同步，有的能同時鑒頻鑒相。

數(shù)字鑒相器檢測輸入信號與反饋信號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，則鑒頻鑒相器首先進(jìn)行鑒頻，通過比較反饋信號與輸入的頻差產(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，鑒頻鑒相器才會開始鑒相工作，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、復(fù)位狀態(tài)UP和DN均為0，表明此時fref和fdiv信號均沒有上升沿到達(dá)，即fref和fdiv信號同時為高電平或同時為低電平;當(dāng)PFD先檢測到fref信號的上升沿時，參考fref信號相位超前，此時輸出UP=1，DN=0;當(dāng)PFD先檢測到fdiv信號的上升沿時時，輸出fdiv信號相位超前，此時輸出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)點在信號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)點是鑒相增益高、端口隔離度好;缺點是鑒相范圍較小，頻率范圍較低，用于處理較低頻率的輸入信號。非線性，此電路一般采用高頻或微波二極管MESFET(金屬-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)及HEMT器件(高電子遷移率器件)來設(shè)計，其結(jié)構(gòu)簡單，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。

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單模型。