首先,得说一下,简单的LC自由振荡的振荡器的频率很脆弱。
哪哪都会影响到它。
供电大小变化,它会变;环境温度变化,它会变;工艺角变化,它也会变。
所以,如果用MCU提供时钟的话,假设环境温度缓慢变化,则振荡器的输出频率也会缓慢变化,这样就会引起随机相位累积。
单独看,可能看不太出来,如果把它和标准时钟输出放在一起,就能感受到变化。
而MCU的运行是靠时钟的上升沿或者下降沿来判别的,你上升沿和下降沿变那么多,MCU可能就运行不正常了啊。
为了避免这个事情发生,就需要对振荡器的相位进行控制。
如下图所示,这边VCO的上升沿相对于VCK有Δt 秒的偏移,那怎么消除这个Δt的偏移呢。
假设在t=t1时,VCO的频率突然变大,然后电路开始累积相位差,相位误差逐渐减小。在t=t2时,VCK和VVCO之间的相位差变为0,两信号的相位对齐。
此过程,即是将VCO的输出相位与参考相位对齐的过程,称为“锁相”。
从上面的过程中,可以看出,要使得VCO的相位和参考信号的相位对齐,需要做到以下两点:
(1) VCO的频率瞬间改变,并且能够发生下面的积分运算。
(2) 用鉴相器来比对两个信号的相位差,以确定VCO和参考信号对齐的时间点。
将输出信号的相位与参考信号的相位进行比对,用鉴相器输出的Vcont去调节VCO的频率和相位。
鉴相器的输出是周期性脉冲,这会对VCO的性能产生影响。
这种负反馈电路,即称为锁相环(PLL)。当φin − φout不随时间变化(或者变化很小时),即称环路锁定。也就是说,这个环路的目的,是使得φin = φout,那如果是这个目的的话,为什么不直接用一根线连接呢。
这是因为,如果在反馈回路上,加上一个分频器,那锁相环就可以产生和参考信号差不多稳定,但是频率更高的信号。
参考文献:
Razavi, Design of CMOS Phase-Locked Loops