集成鎖相環(huán)路PPT課件

1、 3. 工藝特點(diǎn)鎖相集成電路的工藝比較復(fù)雜，涉及的工藝種類較多。一般來說，模擬型以線性集成電路為主，而且?guī)缀醵际请p極性的。數(shù)字型是用邏輯電路構(gòu)成的，以TTL(包括HTTL、LSTTL、STTL等)電路為主。 第1頁/共105頁表5-1 鎖相集成電路分類 第2頁/共105頁表5-2 鎖相集成電路工藝特點(diǎn) 第3頁/共105頁第2節(jié) 集成鑒相器 一、模擬乘法器 用模擬乘法器作鑒相器，便于集成化，它在單片模擬集成鎖相環(huán)中廣泛采用。目前許多技術(shù)可以完成相乘作用，但在集成化模擬乘法器中運(yùn)用最普遍的是所謂“可變跨導(dǎo)”法。 若V1V4特性完全一致，同時(shí)設(shè)1122( )sin()( )( )coseu tUtu

2、 tu tt(5-1) (5-2) 第4頁/共105頁 則分析表明： (1)當(dāng)u1(t)、u2(t)均為高電平時(shí)，有222( )23(2)22ReedReeUuuU(5-3)第5頁/共105頁 圖5-1 平衡模擬乘法器原理圖第6頁/共105頁圖5-2 模擬乘法器三角形鑒相特性 第7頁/共105頁 乘法器具有三角形鑒相特性，如圖5-2所示。誤差電壓最大值為+UR，最小值為-UR，鑒相特性斜率為 2RdUK (5-4) (2)當(dāng)u1(t)為低電平，u2(t)為高電平時(shí)，有1( )sinRdeU UutkTq(5-5) 第8頁/共105頁 (3)當(dāng)u1(t)、u2(t)均為低電平時(shí) 122( )si

3、n28()RdeU UUutkTq(5-6)分析表明，當(dāng)u1(t)為低電平，u2(t)為高電平時(shí)，有12( )sinRdeU UutkTq(5-7)第9頁/共105頁 還必須指出，在圖5-1、圖5-3所示的模擬乘法器中，輸入信號(hào)u1(t)和u2(t)正、負(fù)極性都可以，因此實(shí)現(xiàn)了四個(gè)象限的工作。 圖5-4示出了國產(chǎn)模擬乘法器F14961596(MC14961596)的實(shí)際線路。除用晶體管V7和V8組成了差動(dòng)放大器V3、V4的恒流源外，其它與圖5-3完全相同。最高工作頻率達(dá)10MHz，電源電壓范圍15V，載波泄漏低于-50dB，共模抑制比高達(dá)-85dB。第10頁/共105頁圖5-3 雙平衡模擬乘法

4、器原理圖第11頁/共105頁圖5-4 F14961596模擬乘法器第12頁/共105頁 為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，并擴(kuò)大u1(t)的輸入線性動(dòng)態(tài)范圍，目前又出現(xiàn)了新的改進(jìn)電路，如圖5-5所示。在這種電路中，輸入信號(hào)u1(t)先經(jīng)過V7、V8后，再送入雙差動(dòng)電路。這時(shí)，(5-7)式中的U1被二極管VD1和VD2的正向壓降之差1212DoekTqUUI R 所代替。由于UD與溫度有關(guān)，將UD代入(5-7)式，可把關(guān)于溫度T的因子消去，得1214( )sinRdeOeU UutIR(5-8) 第13頁/共105頁圖5-5 改進(jìn)后的雙平衡模擬乘法器第14頁/共105頁 電路采用了復(fù)合差動(dòng)輸入級V1、V2、V3

5、、V4和V9、V10、V14、V15，以提高輸入電阻、減小偏流和擴(kuò)大差模輸入電壓范圍。其它部分與圖5-5完全相同。最高工作頻率達(dá)100MHz，電壓范圍為15V，線性度優(yōu)于2。第15頁/共105頁圖5-6 F14951595模擬乘法器 第16頁/共105頁圖5-7 XR-2208方框圖第17頁/共105頁 緩沖放大器可將小信號(hào)3dB帶寬擴(kuò)展到8MHz，互導(dǎo)帶寬擴(kuò)展到100MHz。根據(jù)本電路的特定設(shè)計(jì)，負(fù)載電阻在電路中已做好，所以1、2端差動(dòng)輸出的電壓可寫成121225( )( )( )deeutu t u tR R(5-9) 第18頁/共105頁圖5-8 XR-2208原理電路圖第19頁/共10

6、5頁 二、數(shù)字式鑒頻鑒相器 數(shù)字式鑒頻鑒相器是用脈沖后沿觸發(fā)來進(jìn)行工作的，屬邊沿觸發(fā)型電路。它不僅有鑒相功能，而且還有鑒頻功能。國產(chǎn)T4044(MC4044)，E12040(MC12040)和5G4046（CD4046）中的PD-就是這類鑒頻鑒相器的典型例子。 圖5-9境雋薚4044數(shù)字式鑒頻鑒相器電路。它主要由數(shù)字比相器(9個(gè)與非門)、電荷泵(V1V7)和一個(gè)作為LF用的放大器(達(dá)林頓電路)三部分組成。 圖5-10示出了同頻鑒相時(shí)的工作波形。 第20頁/共105頁圖5-9 T4044數(shù)字式鑒頻鑒相器電路第21頁/共105頁 圖5-10 T4044同頻鑒相波形(a)R與V同相；(b)R滯后V；

7、(c)R超前V第22頁/共105頁 當(dāng)環(huán)路存在頻差時(shí)，通過比相器和電荷泵的共同作用，有一數(shù)?值上接近Udm的正向或負(fù)向階躍電壓加到達(dá)林頓電路的輸入端，使它輸出的直流控制電壓迅速地向最小或最大值跳變，從而控制VCO的頻率迅速地向減小頻差的方向變化，故電 其理想鑒頻特性如圖5-13所示。 1.51.5( 22 )22dmdedeedmdUuKUK(5-10)(5-11) 第23頁/共105頁圖5-11 T4044的鑒相特性第24頁/共105頁圖5-12 T4044的鑒頻波形第25頁/共105頁 這種鑒頻-鑒相器，性能優(yōu)越，獲得了廣泛的使用。這種電路主要適用于頻率高的情況，最高工作頻率達(dá)8MHz，5

8、V供電，不過它的輸出幅度較小,鑒相靈敏度低。為了避免這些缺點(diǎn)，又發(fā)展了一種采用CMOS電路的數(shù)字比相器，如圖5-14所示。此電路的電源電壓運(yùn)用范圍寬，功耗小,而工作頻率低。第26頁/共105頁圖5-13 T4044的鑒頻特性第27頁/共105頁圖5-14 CMOS數(shù)字比相器第28頁/共105頁 三、門鑒相器 門鑒相器是一種電平觸發(fā)型數(shù)字鑒相器。以或門和異或門鑒相器為代表，它們對兩個(gè)比相脈沖的占空比都有一定的要求。 圖5-15示出了或門鑒相器的原理圖、工作波形與真值表。假設(shè)u1(t)、u2(t)兩個(gè)方波的周期相同，相差為e，且空度比為11，析可得輸出平均誤差電壓為(1)(0)2( )(3)(02

9、 )2dmeeddmeeUutU(5-12)第29頁/共105頁第30頁/共105頁第31頁/共105頁 圖5-17示出了異或門鑒相器的原理圖、工作波形與真值表。若輸入方波信號(hào)的條件與前面相同，分析可得輸出平均誤差電壓為2dmdUK (5-13)(0)( )(2)(02 )edmededmeUutU(5-14)第32頁/共105頁 將(5-14)式示于圖5-18。由圖可見，異或門鑒相器同樣具有三角形鑒相特性，其鑒相特性斜率為 dmdUK (5-15) 第33頁/共105頁 圖5-17 異或門鑒相器 (a)原理圖；(b)波形；(c)真值表第34頁/共105頁圖5-18 異或門鑒相器鑒相特性第35

10、頁/共105頁第3節(jié) 集成壓控振蕩器 一、積分-施密特觸發(fā)電路型壓控振蕩器 振蕩器原理圖圖5-19示出了一個(gè)積分-施密特觸發(fā)型壓控振蕩器原理圖。電路由恒流源(IO)、積分器(V1、V2、V3、VD1、VD2和CT)和施密特觸發(fā)器組成。 第36頁/共105頁02121214()2()2()moTTocmoTIg ufG UUG UUK ugKG UU(5-16) (5-17) 式中g(shù)m為恒流源跨導(dǎo)； 第37頁/共105頁圖5-19 積分-施密特觸發(fā)型壓控振蕩器原理圖第38頁/共105頁 圖5-20 SL566的實(shí)際電路 第39頁/共105頁 圖5-21示出了同時(shí)能輸出三角波、方波和正弦波的單片集

11、成壓控波形發(fā)生器5G8038的方框圖。它由兩個(gè)電流源、兩個(gè)電壓比較器、一個(gè)觸發(fā)器、一個(gè)方波輸出緩沖器(緩沖)、一個(gè)三角波輸出緩沖器(緩沖)和一個(gè)正弦波變換電路組成。 第40頁/共105頁 圖5-21 5G8038方框圖第41頁/共105頁 輸出波形的頻率為0001Hz300kHz，頻率的變化由外接的定時(shí)電阻和定時(shí)電容決定。頻率可根據(jù)下式計(jì)算：15(1)32BATABfRR CRR(5-18) 若RA=RB=RT，則 0.3TTfR C(5-19) 若兩個(gè)定時(shí)電阻合并成一個(gè)時(shí)，則頻率變?yōu)?.15TTfR C(5-20) 第42頁/共105頁 選擇不同的定時(shí)電容和電阻，可使工作頻率覆蓋001Hz1

12、MHz以上。根據(jù)本電路的特殊設(shè)計(jì)，振蕩頻率的近似計(jì)算式為1TTfR C(5-21) 第43頁/共105頁第44頁/共105頁 二、射極耦合多諧振蕩器型壓控振蕩器 圖5-23示出了射極耦合壓控多諧振蕩器的原理電路的各點(diǎn)波形圖。圖中交叉耦合的晶體管V1、V2組成正反饋級，并分別接受有電壓uc控制的恒流源IO1、IO2(通常選擇IO1=IO2=IO）。 444omcooTDTDmoTDIg ufK uC UC UgKC U 式中g(shù)m為壓控恒流源的跨導(dǎo)；(5-22) (5-23)第45頁/共105頁圖5-23 射極耦合壓控多諧振蕩器 (a)原理電路；(b)各點(diǎn)波形第46頁/共105頁圖5-24 MC1

13、658的實(shí)際電路第47頁/共105頁 三、LC負(fù)阻型壓控振蕩器 圖5-25示出了一個(gè)宜于單片集成的變?nèi)莨苷{(diào)諧的LC壓控振蕩器原理圖。電路由變?nèi)莨茈娙軨D、振蕩回路LCs、發(fā)射極耦合電路V1、V2和恒流源IO組成。V2基極與V1集電極之間接成正反饋級。當(dāng)出現(xiàn)擾動(dòng),在回路中形成10端電壓uc1升高,口端電壓ub1下降,因?yàn)閡b2=uc1,隨之引起:uc1ub2Ie2Ie1Ic1。1221bbeeuuuu第48頁/共105頁 反之亦然?？梢奦1呈現(xiàn)一負(fù)阻并接在振蕩回路兩端，所以這種振蕩器是一個(gè)負(fù)阻振蕩器。分析可得振蕩頻率為?12()DsfL CC(5-24) 式中Cs為外接回路電容（包括晶體管輸入電

14、容和寄生電容）； CD為變?nèi)荻O管的電容0(1)DDpCCuu(5-25) 第49頁/共105頁 將(5-25)式代入(5-24)式，可得0(1)2(1)DDsuufuLCLCu(5-26) 可見，fuD關(guān)系不是線性的。由(5-25)或(5-26)式所決定的CDuD關(guān)系和fuD關(guān)系示于圖5-26。回路電感L由下式?jīng)Q定： 2222maxminminmax1144LfCfC （5-27） 第50頁/共105頁 式中Cmin和Cmax分別為回路的最小和最大總電容。 壓控振蕩器的控制靈敏度Ko在工程上可用下式近似求得：maxminmaxmin2 ()(/)oDDffKrad s Vuu（5-28） 第

15、51頁/共105頁圖5-25 LC負(fù)阻壓控振蕩器原理圖第52頁/共105頁圖5-26 CDuD和fuD關(guān)系曲線第53頁/共105頁圖5-27 E1648實(shí)際電路圖第54頁/共105頁 四、數(shù)字門電路型壓控振蕩器 用數(shù)字門電路組成壓控振蕩器的形式很多。壓控振蕩器既可以用MOS、CMOS門電路，也可以用TTL（STTL，LSTTL）等門電路來構(gòu)成。本節(jié)只介紹用CMOS門電路構(gòu)成的壓控振蕩器。 圖5-28示出了一個(gè)CMOS數(shù)字門電路型壓控振蕩器的原理圖。 第55頁/共105頁圖5-28 CMOS數(shù)字門電路型壓控振蕩器原理圖第56頁/共105頁 可得振蕩頻率為 由于IO受控于uc，故f亦隨uc變化，起

16、到了壓控振蕩器的作用。 國產(chǎn)典型的CMOS數(shù)字集成鎖相環(huán)5G4046(J691、CD4046)中的VCO就是采用這種電路，實(shí)際線路如圖5-29所示。 8oTIfC(5-29)第57頁/共105頁圖5-29 5G4046（J691、CD4046）中的VCO實(shí)際線路第58頁/共105頁 當(dāng)N1柵極加上控制電壓uc后，它能改變流過P1，亦即流過P2中的電流，起到uc控制充電電流的作用。分析可得 式中UTN和UTP分別為N溝道和P溝道場效應(yīng)管的閾電壓。將(5-30)式代入(5-29)式，得到012cTNDTPuUEUIRR(5-30) 01288cTNDTPTTuUEUIRCR C(5-31) 第59

17、頁/共105頁第4節(jié) 通用單片集成鎖相環(huán) 一、高頻單片集成鎖相環(huán) 1.NE560 NE560是56系列單片集成鎖相環(huán)路中最基本的一種電路，其方框圖如圖5-30所示。它包括鑒相器、壓控振蕩器、環(huán)路濾波器、限幅器和兩個(gè)緩沖放大器。鑒相器由雙平衡模擬相乘器組成，輸入信號(hào)加在12、13端。 第60頁/共105頁 2.NE561 NE561的線路、性能和應(yīng)用基本上與NE560相同（其方框如圖5-31所示），只是在電路中附加了一個(gè)由模擬相乘電路構(gòu)成的正交檢波器和緩沖放大器。這樣NE561就可用于AM信號(hào)的同步檢波，此時(shí)正交檢波器與環(huán)路鑒相器的信號(hào)輸入不同，兩者應(yīng)該相差90。同步檢波信號(hào)由1端輸出。典型工作

18、電流可到10mA。 第61頁/共105頁 3.L562(NE562) L562(國外同類產(chǎn)品為NE562)是目前56系列中應(yīng)用廣泛的一種單片集成鎖相環(huán)路。其線路、性能和應(yīng)用與NE560也基本相同，其組成方框如圖5-32所示。 第62頁/共105頁圖5-30 NE560方框圖第63頁/共105頁圖5-31 NE561方框圖 第64頁/共105頁 考慮到L562鑒相器的非理想與飽和特性，其鑒相靈敏度可近似為 式中USRMS是輸入電壓的有效值。當(dāng)USRMS40mV時(shí)，Kd近似與輸入信號(hào)成正比；當(dāng)USRMS40mV時(shí)，Kd15Vrad。根據(jù)56系列的特殊設(shè)計(jì)，560、561、562壓控振蕩器靈敏度與固

19、有振蕩頻率f之間在數(shù)值上均有如下近似關(guān)系： 20.04(/)1()40SRMSdSRMSUKV radU(5-32) 83 10oTKfC(5-33)第65頁/共105頁圖5-32 L562方框圖第66頁/共105頁 4.XR-215 XR-215是最高工作頻率可達(dá)35MHz的高頻單片集成鎖相環(huán)路，其框圖如圖5-33所示。電路由鑒相器、壓控振蕩器和運(yùn)算比較電路組成。鑒相器為雙平衡模擬相乘器，輸入信號(hào)加在4端，壓控振蕩器的反饋信號(hào)加在6端，鑒相器的輸出電壓從2、3兩端平衡輸出。 第67頁/共105頁 圖5-33 XR-215方框圖 第68頁/共105頁 二、超高頻單片集成鎖相環(huán) 1 .L564(

20、NE564)L564是56系列中工作頻率高達(dá)50MHz的一塊超高頻通用單片集成鎖相環(huán)路，其組成方框如圖5-34所示。電路由輸入限幅器、鑒相器、壓控振蕩器、 ?直流恢復(fù)電路和施密特觸發(fā)器等六大部分組成。第69頁/共105頁 圖5-34 L564方框圖第70頁/共105頁 鑒相器用普通的雙平衡模擬相乘器，鑒相增益與2端注入(或吸出)電流IB的關(guān)系如下： 在IB800mA范圍內(nèi)，上式是有效的。 壓控振蕩器是改進(jìn)型的射極耦合多諧振蕩器。定時(shí)電容CT接在12、13端，電路有TTL和ECL兼容的輸入、輸出電路。TTL由9端輸出，ECL可由11端輸出。根據(jù)L564壓控振蕩器的特定設(shè)計(jì)，其固有振蕩頻率為40.

21、46(/)7.3 10 (/)()dBKV radV rad uA IuA(5-34) 116CTfR C(5-35) 第71頁/共105頁 式中RC=100，是電路內(nèi)部設(shè)定的；CT為外接定時(shí)電容。在f=1MHz時(shí)，得歸一化壓控靈敏度為 Kon5.9106(radVs)(IB=0) (5-36) 和 Kon10.45106（radVs）（IB=800A）(5-37) 在任意工作頻率時(shí)，壓控增益Ko可用下式計(jì)算： Ko=Konf (5-38)第72頁/共105頁 施密特觸發(fā)器與直流恢復(fù)電路共同構(gòu)成FSK信號(hào)解調(diào)時(shí)的檢波后處理電路，如圖5-35所示。此時(shí)，直流恢復(fù)電路的作用是為施密特觸發(fā)器提供一個(gè)

22、穩(wěn)定的直流參考電壓，以控制觸發(fā)器的上下翻轉(zhuǎn)電平，這兩個(gè)電平之間的距離(即滯后電壓UH)可從15端進(jìn)行外部調(diào)節(jié)。第73頁/共105頁圖5-35 FSK檢波后處理電路示意圖 第74頁/共105頁 2.pc1477c PC1477C是一塊主要用作衛(wèi)星直播接收機(jī)(室內(nèi)裝?鎖相解調(diào)器的超高頻單片集成鎖相環(huán)路，其方框如圖5-37所示。它由鑒相器、壓控振蕩器、直流放大器、緩沖放大器和若干調(diào)整環(huán)節(jié)組成。 第75頁/共105頁 圖5-36 檢波后處理電路輸出的FSK解調(diào)波形 （a）在低數(shù)據(jù)率下忽略載波泄漏情況； （b）載波泄漏大，UH小的情況；第76頁/共105頁 圖5-36 檢波后處理電路輸出的FSK解調(diào)波形

23、 （a）在低數(shù)據(jù)率下忽略載波泄漏情況； （b）載波泄漏大，UH小的情況；第77頁/共105頁 圖5-36 檢波后處理電路輸出的FSK解調(diào)波形 （a）在低數(shù)據(jù)率下忽略載波泄漏情況； （b）載波泄漏大，UH小的情況；第78頁/共105頁 三、低頻單片集成鎖相環(huán) 1. SL565(NE565)SL565是56系列中一塊工作頻率低于1MHz的通用單片集成鎖相環(huán)路，其組成方框如圖5-38所示。它包含鑒相器、壓控振蕩器和放大器三部分。第79頁/共105頁圖5-37 PC1477C方框圖第80頁/共105頁圖5-38 SL565方框圖第81頁/共105頁 對SL565而言，壓控振蕩器振蕩頻率可近似表示成1.

24、2450TToCfR CfKE壓控靈敏度? 式中EC是電源電壓(雙向饋電時(shí)則為總電壓)。鑒相靈敏度為1.4dK(5-39)(5-40)(5-41) 放大器增益為 1.4A (5-42) 第82頁/共105頁 2. NE567NE567是一個(gè)高穩(wěn)定性的低頻單片集成鎖相環(huán)路,圖5-39示出了NE567的方框圖。它由主鑒相器(PDI)、直流放大器(A1)、電流控制振蕩器(CCO)和外接環(huán)路濾波器組成。 第83頁/共105頁圖5-39 NE567方框圖第84頁/共105頁 輸入信號(hào)加在3端，環(huán)路濾波電容器接在2端，定時(shí)電阻RT與定時(shí)電容CT接在5、6端。振蕩頻率可用下式計(jì)算： 11TTfR C(5-4

25、3)第85頁/共105頁 3. 5 G4046(CD4046)5G4046是一塊低頻低功耗通用單片集成鎖相環(huán)。環(huán)路采用CMOS電路，最高工作頻率1MHz左右，電源電壓為515V。當(dāng)f=10kHz時(shí)，功耗為0.159mW。與類似的雙極性單片集成鎖相環(huán)相比較，它的功耗降低了很多，這對要求功耗小的設(shè)備來說，具有十分重要的意義。 圖5-40示出了5G4046的方框圖。 第86頁/共105頁圖5-40 5G4046方框圖第87頁/共105頁第5節(jié) 集成頻率合成器 集成頻率合成器是近年來發(fā)展最快、種類和采用新工藝最多的一種專用鎖相電路。它區(qū)別于通用單片集成鎖相環(huán)，通常總是把合成器中性質(zhì)相同(或相近)的參考

26、振蕩器、參考分頻器、數(shù)字鑒相器、程序分頻器、各種邏輯控制電路以及高速雙模或多模前置分頻器等部件集成在一個(gè)或幾個(gè)單片中，以構(gòu)成集成頻率合成器的電路系統(tǒng)。第88頁/共105頁 一、中規(guī)模集成頻率合成器 在這種類型的集成頻率合成器中，最典型的例子是MC145100系列中的MC1451040607091243等幾個(gè)產(chǎn)品，它們都是CMOS、MSI電路（不包括VCO）。?圖5-41 C145106的方框圖（其它產(chǎn)品大同小異），電路包含有參考振蕩器或放大器，參考分頻器，程序分頻器和鑒相器。 第89頁/共105頁圖5-41 MC145106方框圖第90頁/共105頁 表5-3 MC145106程序分頻器真值表

27、 第91頁/共105頁圖5-42 T4044E1648E12013E12014T4016 組合式集成頻率合成器方框圖 第92頁/共105頁 二、大規(guī)模集成頻率合成器 MC145144454651525556575859等是MC145100系列中CMOS-LSI頻率合成器的典型產(chǎn)品。 1.MC145145-1圖5-43示出了MC145145-1的方框圖，它是一塊用4bit數(shù)據(jù)總線輸入方式置定的單模CMOS-LSI頻率合成器電路。 第93頁/共105頁圖5-43 MC145145-1方框圖 第94頁/共105頁表5-4 MC145145-1地址功能表 第95頁/共105頁 2 . M C 1 4 5 1 5 2 - 1 M C 1 4 5 1 0 0 系 列 中 另 一 個(gè) 典 型 產(chǎn) 品