了解如何使用鑒相鑒頻器（PFD）替代普通鑒相器，以擴展鎖相環（PLL）的捕獲范圍。

在學習鎖相環（PLL）基礎原理時，我們通常從鑒相器如何引導環路實現鎖定開始講起。但在實際應用中，許多鎖相環電路選用鑒相鑒頻器（PFD）而非普通鑒相器。PFD 是一種常用的時序電路，能夠同時檢測兩個輸入信號之間的相位差與頻率差。正如本文將要介紹的，它比僅檢測相位差的電路擁有更寬的捕獲范圍。

鑒相器的捕獲范圍受限

圖 1 為基本鎖相環結構。

圖 1 采用鑒相器的基本鎖相環結構

檢測輸入（參考）信號與壓控振蕩器（VCO）輸出之間的相位差，是鎖相環工作的核心環節。在筆者關于鎖相環設計的系列文章中，鑒相器也是所有分析結構的組成部分。但需要重點注意：普通鑒相器會限制環路的捕獲范圍。

換句話說，若使用鑒相器，當 VCO 輸出頻率（fV）與輸入頻率（fR）相差較大時，環路可能無法鎖定。

為理解這一限制，以吉爾伯特單元鑒相器為例。該鑒相器會在輸出端產生差頻信號 。當 較大時，該信號會被后級低通濾波器大幅衰減。

fR 與 fV 頻率相差越大，濾波器的衰減越明顯，環路就越難以檢測到頻差。

本質上，當 fR 與 fV 相距過遠時，低通濾波器輸出的信號過弱，無法驅動 VCO 向正確方向調整。

改用鎖頻環（FLL）如何？

由于輸入頻率相差較大時鑒相器幾乎無法提供有效信息，不能保證環路一定能鎖定。想要擴展捕獲范圍，就需要一種能夠檢測輸入頻差的電路，其原理如圖 2 所示。

圖 2 鎖頻環結構

該環路使用頻率檢測器而非鑒相器。它與低通濾波器共同生成反映 fR 與 fV 差值的直流信號。

這樣一來，即便 fR 與 fV 相差很大，VCO 也會被驅動，逐步縮小頻差。

但頻率檢測器存在一個重大缺陷：無法最終保證 fR=fV。

這可能由環路增益有限或頻率檢測電路內部失調引起，類似于單位增益負反饋運放 —— 由于開環增益有限與運放固有失調，輸入端電壓差無法被完全消除。

實現頻率相等，仍需鑒相器

圖 1 采用鑒相器的結構更接近讓輸入與輸出頻率相等，但這并不意味著差值一定為零。環路穩定后，輸入與輸出相位之間可能存在一個較小的恒定相位差 ?e：

?R=?V+?e  式 1

盡管存在非零相位差，圖 1 電路仍能保證輸入頻率 fR 與輸出頻率 fV 相等。

這一點可以從 “瞬時頻率是相位對時間的導數” 來理解：因為 ?e 是常數，對式 1 求導后該項消失。

因此，即便輸入與輸出信號存在恒定相位差，電路仍可使兩者頻率相等。

簡言之：相位鎖定時，頻率必然相等。

總結來說：

• 頻率檢測器能擴展捕獲范圍，但無法實現輸入輸出頻率嚴格相等；

• 鑒相器可以實現頻率相等，但捕獲范圍窄。

因此，環路需要一種復合電路：頻率相差較大時作為頻率檢測器，頻率相同時作為鑒相器。

這種電路就是本文重點介紹的鑒相鑒頻器（PFD）。

鑒相鑒頻器（PFD）基礎

圖 3 為 PFD 的一種典型實現結構。它采用兩個 D 觸發器與一個反饋結構的與門產生復位信號。

圖 3 鑒相鑒頻器電路

觸發器的數據端（D 端）永久接高電平。

標記 R、V 的輸入端分別為參考信號與 VCO 輸出信號，接入觸發器時鐘端。

一個觸發器輸出記為 Up（升頻），另一個為 Dn（降頻，Down 縮寫）。

當 R 或 V 出現上升沿時，對應觸發器輸出置高。

若 Up 與 Dn 同時為高，與門將觸發復位，使兩個觸發器清零。

輸入頻率相同時的典型波形

圖 4 為兩輸入同頻、且 R 相位超前 V 時的 PFD 典型波形。

圖 4 同頻且 R 超前 V 時的 PFD 波形

R 上升沿先到來，因此上方觸發器先輸出高電平，并保持到 V 上升沿觸發 Dn 輸出，隨后復位。

注意 Dn 輸出脈沖極窄，因為其高電平會立即觸發復位通路。

圖 5 為 V 脈沖超前 R 時的典型波形。

圖 5 V 超前 R 時的典型波形

Up 有效表示 VCO 頻率滯后于輸入信號，需要提升頻率（如圖 4）。

Dn 有效則相反，指示環路降低 VCO 頻率（如圖 5）。

通過 Up / Dn 有效狀態，PFD 可提供相位誤差的方向信息。

有效輸出的脈沖寬度則反映相位誤差大小。

當 R 與 V 完全同相時，兩個觸發器同時置高并同時復位，產生如圖 6 所示的窄脈沖。

圖 6 R 與 V 完全同相時的典型波形

PFD 的最終輸出由 Up 減去 Dn 得到。圖 7 為使用運放減法電路生成最終輸出的結構。

圖 7 集成運放減法電路的 PFD 結構

由于最終輸出是 Up 與 Dn 的差值，理想情況下，輸入同相時產生的窄脈沖（圖 6）對電路性能應無影響。

但在實際應用中，這些窄脈沖會增加 VCO 控制電壓上的紋波。

輸入頻率不同時的典型波形

接下來看參考頻率高于 VCO 頻率（fR>fV）的情況，典型波形如圖 8。

圖 8 fR>fV 時的 PFD 典型波形

高頻輸入的上升沿觸發 Up 輸出，并持續有效直到低頻輸入的上升沿到來。

Up 輸出的占空比反映了輸入頻差大小。

若 fR<fV，則 Dn 輸出有效，指示應降低 VCO 頻率以實現鎖定。

由此可見，該電路既能檢測相位差，也能檢測頻率差。

PFD 的輸入輸出特性

PFD 的平均輸出（即 Up 與 Dn 之差）是輸入相位差的函數，特性如圖 9 所示。

圖 9 PFD 的輸入輸出特性曲線

其線性工作范圍擴展至 4π 弧度，恒定增益為：

kd=2πVdd   式 2

該增益與 RS 觸發器型鑒相器相同。從圖 9 可明顯看出，為獲得最大鎖定范圍，鎖定點必須設在 0°。

總結

PFD 的線性范圍為 ±2π 弧度。

在瞬態起始階段，它作為頻率檢測器工作，將 VCO 頻率拉向輸入頻率；

當兩者頻率足夠接近后，PFD 轉為鑒相器，實現環路相位鎖定。

這一特性解決了普通鑒相器捕獲范圍受限的問題，確保鎖相環能夠可靠鎖定。