基于DDS的数字PLL

多年以来，作为业界主流产品的模拟PLL已被熟知，模拟PLL性能稳定，可为频率合成和抖动消除提供低成本的解决方案，工作频率高达8GHz及以上。然而新兴的基于直接数字频率合成（DDS）的数字PLL在某些应用中极具竞争力。本文比较了模拟PLL和基于DDS的数字PLL之间的差异，以及如何利用这些差异来指导设计人员选择最佳的解决方案。

数字PLL利用数字逻辑实现传统的PLL模块。虽然实现数字PLL的方法有很多，但本文只介绍基于DDS的数字PLL架构。

 
　　图1 典型的模拟PLL结构框图
　　图中：REF INPUT-参考输入；Reference Divider-参考分频器；Phase Detector-鉴相器；Charge Pump-电荷泵；Loop Filter-环路滤波器；OUTPUT-输出；Feedback Divider-反馈分频器

图1所示的是典型的模拟PLL。输入信号首先进入参考分频器，参考分频器可降低输入鉴相器的信号频率。在PLL中，参考分频器的设置非常关键。如果设计人员必须使用大的分频比降低鉴相频率来生成期望的输出信号，那么环路带宽就会受到限制。下文将会对这一点进行详细说明。

在模拟PLL中，鉴相器产生上升或下降的电流脉冲，其持续时间与参考信号和反馈信号的相差成正比。而对于数字PLL，鉴相器的输出是与输入参考信号沿和反馈信号沿的时间差成正比的数字量。这些数字量被送入数字环路滤波器，完成滤波并对鉴相器的输出进行积分。环路滤波器的参数是数字型的，但可以较容易的改变，同时，与模拟PLL不同，其大小没有限制。另外，数字鉴相器不受热噪声、老化或漂移以及电荷泵失配或泄露的影响。而在模拟PLL中，当电荷泵中的晶体管没有完全关断或其它泄漏导致压控振荡器（VCO）中有不希望的电压变化时，都会发生电荷泵泄漏。另外，模拟PLL中电荷泵泄漏和驱动器上升/下降电流的失配会导致输出信号的频谱在鉴相器频率上出现杂散，而数字PLL由于没有电荷泵，因此避免了这种现象发生。

 
　　图2 基于DDS的数字PLL结构框图
　　图中：REFERENCE INPUT-参考输入；Reference Divider-参考分频器；Feedback Divider-反馈分频器；Phase Detector (Time-to-Digital Converter) -鉴相器（时间数字转换器）；Reference Monitors-参考监控器；Digital Loop Filter-数字环路滤波器；External System Clock-外部系统时钟；External DAC Reconstruction Filter-外部DAC重构滤波器；CLOCK OUTPUT-时钟输出

在基于DDS的数字PLL中，直接数字频率合成（DDS）和数模转换器（DAC）代替了传统的压控振荡器（VCO）。DDS的输入是数字调谐字，用于设置输出信号的频率。这与VCO类似，VCO的模拟输入电压用于调节输出信号的频率。在1GHz频率下运行的DDS的调谐频率范围为DC~400MHz。如果利用奈奎斯特频率（DAC采样速率的一半）以上的DAC镜像作为信号，频率范围还可以进一步增大。DAC的输出被送到外部低通重构滤波器中，以滤除不需要的谐波，然后再反馈到内置反馈分频器中，这样就形成了闭合回路。

数字PLL中的重构滤波器是模拟PLL中没有的部分。低通滤波器滤除基频频率以上的频率信号。根据滤波需求以及输出频率与奈奎斯特频率的接近程度，通常会采用五阶或七阶低通滤波器。之后，正弦波被送入扇出缓冲器中，以产生方波时钟输出信号。为了滤除附加噪声或允许PLL工作于奈奎斯特频率以上，可使用带通滤波器代替低通滤波器。这时有可能在输出频率或低于输出频率的地方出现没有滤除的杂散，因此设计者必须谨慎做出频率规划，在不会出现问题的频率上运行DAC。

一旦理解了数字PLL中的各个组成模块，我们就能够开始认识到与这些数字单元相关的优势。首先，数字PLL非常适合频率转换应用。例如，将普通的19.44MHz的时钟频率转换为156.25MHz，需要对输入信号进行1944分频，使鉴相器在10kHz频率下工作。为了保持环路的稳定性， PLL环路带宽通常被限制在鉴相器频率的1/10左右，在本例中带宽为1kHz。小数N分频PLL有助于保持鉴相器的高工作频率，但会带来自身的一些问题。在模拟PLL中，低环路带宽需要大容量的元件，这不仅会占用电路板空间，而且当使用陶瓷电容时还会导致自谐振。由于相位修正的步长有限，数字PLL也可能产生参考杂散信号，但是，由于数字环路滤波器很容易实现非常小的环路带宽（< 1 Hz），因此这个杂散信号很容易被抑制。更重要的是，由于环路特性由数字系数来决定，因此数字PLL能够比模拟PLL更好地控制环路动态特性。这是相位调制系统的一个主要优点。

对任何PLL来说，PLL环路带宽内的参考噪声能通过，而带外的参考噪声会被衰减。基于DDS的