第八章锁相技术5-4(实现) 射频通信电路

8.6锁相环路的实现本节内容：介绍锁相环中各部件的电路实现以及性能指标压控振荡器的主要性能指标有：1）频率范围2）线性度3）压控灵敏度4）调制带宽5）噪声6）工作电压描述环路滤波器的传递函数的主要指标有：1）直流增益2）高频增益3）3dB带宽（时间常数）4）线性动态范围（仅对有源滤波器）常用环路滤波器电路8.6.1鉴相器理想的鉴相器的特性：edddAAv)(21dU0eddedvAd当鉴相特性为非线性时：主要指标：1）鉴相特性曲线2）鉴相灵敏度，单位为/VraddA3）鉴相范围4）鉴相器的工作频率鉴相器的种类及比较鉴相器种类特性模拟鉴相器输入模拟信号,灵敏度较低，较好的线性，锁定时两信号有90度相移。门鉴相器输入应为对称方波，锁定时两输入信号有90度相移。R-S触发器鉴相输入为脉冲或方波，锁定时两输入信号有90度相移。边沿触发鉴频鉴相器输入为脉冲或方波，锁定时两输入信号相移为0或180度，有鉴频和鉴相功能。1.模拟鉴相器电路结构:模拟乘法器+低通滤波器按输入信号幅度大小分三种情况讨论:模拟乘法器作为鉴相器应用的特性模拟乘法器特性TyTxcooVvthVvthRIv22①非线性器件②非理想相乘qkTVT（）设:输入信号为)sin(1tVvxmxtVvymy1cos注意:时两信号正交01．输入均为小信号yxvv,TyTxcooVvthVvthRIv22鉴相范围——~22线性鉴相范围：~66鉴相灵敏度：ymxmTcoymxmdVVVRIVAVA2821缺点：鉴相输出电压与输入信号的幅度有关，而且还与温度有关鉴相特性曲线——正弦dU均线性化相乘低通sin21ymxmdVAVv204TcVRIA（）2．输入一个是大信号，一个是小信号TyTxcooVvthVvthRIv22通过低通滤波器，滤除高频分量后的输出：sin2)(xmdBVtv特征：正弦鉴相、鉴相灵敏度为：xmTcodVVRIA鉴相灵敏度与小信号的幅度有关设是小信号xv线性化，1()sin()oxmvtBVt（）TcoVRIB2yv是大信号双向开关21()St3．两个输入均为大信号1）鉴相特性曲线——三角形()222）线性鉴相范围：3）鉴相灵敏度：codRIA2鉴相灵敏度与信号幅度无关2121()()()2oocvtIRStSt乘法器输出：均为双向开关通过低通滤波器滤出的平均分量即为输出电压：cooRIv2)(2cooRIv3()22()222.门鉴相器异或门鉴相器电路异或门输出波形输出波形特点：1.输出电压频率是输入频率的两倍——利于滤除电压纹波2.输出电压的脉冲宽度与两输入电压的相位差(时间差)有关3.求输出电压的平均值即为鉴相器输出电压dv1)鉴相特性曲线2)线性鉴相范围:0~3)鉴相灵敏度DDdmdVVA异或门鉴相器输出电压:edmdVve0())2(edmdVv2e()实际应用时，为使相位差可正、负取两输入信号正交时相位差为零，e0dV3.边沿触发鉴频鉴相器（PFD）功能特点:①既可鉴频又可鉴相②边沿触发,输入不必对称方波VfRfVfRf超前或VfRfVfRf超前或根据鉴相器输出两路脉冲、的形状和宽度指示出两输入信号R、V间的频率差或相位差。工作原理:VR鉴频鉴相器设计方法：①采用边沿触发的时序电路②三个状态：=00,=01,=10VRVRVRVR不存在＝11③根据波形图画出状态转换图典型的原理电路取平均值电路目的：将反映两信号相位差的两路脉冲和的宽度转换为反映相位差大小的一个平均电压(或电流)RV方法一：①将、分别通过两个低通滤波器取平均值RV②运放A将两平均电压相减方法二：电荷泵电路③反之，CP通过I2放电，输出电位下降R开关S1随的0、1变化而开关开关S2随变化而开关V①当，或=但V的相位迟后RRfVfVfRfR则为正脉冲，I1向CP充电，输出电位上升②cv开关S1和S2均断开，输出电压保持常数=且V的相位与R的相位相同，即有==0时，VfRfRV④结论：输出电压受R、V的相位差或频率差控制cv8.6.2集成锁相环产品举例例8.6.1CMOS单片集成锁相环4046内部结构:一个VCO鉴相器PD1——异或门鉴相鉴相器PD2——鉴频鉴相（9）脚为VCO控制输入工作特点：PD2out(1)是锁定指示PD2out(13)是鉴相输出——①脉冲的正、负反映了鉴相器两输入信号的超前、滞后关系②脉冲的宽度反映超前、滞后的大小③无脉冲时输出为高阻鉴相特性曲线鉴相器PD2——鉴频鉴相器波形鉴相范围：2~2鉴相灵敏度4DDVVCO工作原理射极耦合多谐振荡器工作频率取决于①外接电容C②充、放电电流——P2电流2i受控特性：P2电流取决于——2i①镜像电流源P1N1R2②N1电流受控于（9）脚电位例8.6.2单片集成锁相环L562内部结构特点:模拟锁相环鉴相器——模拟乘法器VCO射极耦合多谐振荡器工作频率取决于外接电容C经A1放大的控制电压L562内部电原理图8.6.3锁相环设计1.锁相环指标（1）静态特性：稳态相位误差（2）跟踪特性线性跟踪正弦响应：–3dB带宽c瞬态响应：过冲量Mp建立时间ts非线性跟踪——同步带（3）捕捉特性：快捕带，捕捉带，捕捉时间LppT（4）噪声滤波性能：环路噪声带宽LB（5）环路稳定性：相位裕量、幅度裕量2.环路滤波器的选择稳定性好—要求小带宽小—要求大矛盾112A简单RC滤波器nA=2122A比例积分滤波器n12A=有两个时间常数可分别控制和n有源比例积分滤波器——II型环，跟踪性能较好3.设计考虑思路：由环路指标odAAA环路增益环路无阻尼振荡角频率n电路元件值确定求噪声带宽——小，滤除输入噪声好（2）确定环路无阻尼振荡角频率nn影响环路3dB带宽——宽带？窄带？取决于应用捕获时间——大，捕捉快n捕捉带——大，捕捉带大nn矛盾取决于锁相环路的具体应用根据稳态相位误差、同步带要求确定eH（1）确定增益odAAA一般由集成块决定，不够时可添加放大器A