第六章集成鎖相環(huán)路第一節(jié)概述第二節(jié)集成鑒相器第三節(jié)集成壓控振蕩器第四節(jié)通用單片集成鎖相環(huán)習(xí)題第一節(jié)概述

1.集成鎖相環(huán)路的特點(diǎn)

鎖相環(huán)是一個(gè)相位反饋控制系統(tǒng)，最大特點(diǎn)是可以不用電感線圈，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)頻率和相位的自動(dòng)跟蹤。由于鎖相環(huán)路易于集成化，且性能優(yōu)越，所以鎖相集成電路已成為繼集成運(yùn)算放大器之后，又一個(gè)用途廣泛的多功能集成電路。

2.鎖相集成電路的分類

鎖相集成電路種類很多。按電路程式可分為模擬式與數(shù)字式兩大類。按用途，無論模擬式還是數(shù)字式，又都可分為通用型與專用型兩種。

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。在要求高速的邏輯電路中采用ECL電路。第二節(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。圖6-1示出了平衡模擬乘法器的原理圖。電路由兩個(gè)差動(dòng)對(duì)V1、V2和V3、V4以及恒流源IO組成。RL為差動(dòng)對(duì)的負(fù)載電阻，它與電容C組成低通濾波器。u1(t)、u2(t)為輸入電壓。

ud(t)為輸出誤差電壓。u1(t)控制Ic3在V1、V2中的分配，故Ic1、Ic2與Ic3、u1(t)都有關(guān)，u2(t)控制IO在V3、V4中的分配，故Ic3

與IO、u2(t)有關(guān)。最終Ic1、Ic2與u1(t)、u2(t)有關(guān)，亦即ud(t)與u1(t)、u2(t)有關(guān)。若V1～V4特性完全一致，同時(shí)設(shè)

u1(t)=U1sin(ωt－θe)

(6-1)

u2(t)=U2cosωt

(6-2)則分析表明：

(1)當(dāng)u1(t)、u2(t)均為高電平時(shí)，有

(6-3)

式中UR=(1／2)IORL?？梢?，輸出電壓平均值與輸入信號(hào)u1(t)、u2(t)無關(guān)。乘法器具有三角形鑒相特性，如圖6-2所示。圖6-1平衡模擬乘法器原理圖圖6-2模擬乘法器三角形鑒相特性誤差電壓最大值為+UR，最小值為－UR，鑒相特性斜率為

(6-4)

(2)當(dāng)u1(t)為低電平，u2(t)為高電平時(shí)，有

(6-5)

(3)當(dāng)u1(t)、u2(t)均為低電平時(shí)

(6-6)

可見，輸出電壓平均值與U1、U2的乘積成正比，乘法器同樣具有正弦形鑒相特性。分析表明，當(dāng)u1(t)為低電平，u2(t)為高電平時(shí)，有

(6-7)

可見，在這種工作條件下，雙平衡模擬乘法器仍具有正弦形鑒相特性，但雙端輸出平均誤差電壓比平衡模擬乘法器大了一倍。圖6-3雙平衡模擬乘法器原理圖圖6-4

MC1496／1596模擬乘法器由前面分析可以看出，平衡模擬乘法器與雙平衡模擬乘法器輸出平均電壓的系數(shù)與絕對(duì)溫度T有關(guān)。當(dāng)溫度T升高30℃時(shí)，系數(shù)縮小10％，這就使鎖相環(huán)路增益及其它性能隨溫度發(fā)生變化。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6-5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)，(6-7)式中的U1被二極管VD1和VD2的正向壓降之差

所代替。由于ΔUD與溫度有關(guān)，將ΔUD代入(6-7)式，可把關(guān)于溫度T的因子消去，得

(6-8)

式中圖6-5改進(jìn)后的雙平衡模擬乘法器圖6-6

MC1495／1595模擬乘法器根據(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

(6-9)

式中u1(t)、u2(t)為相乘器的兩個(gè)輸入電壓(V)，Re1和Re2分別為接在6、7端和8、9端的增益調(diào)整電阻(kΩ)。圖6-7

XR-2208方框圖圖6-8

XR-2208原理電路圖二、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。這種鑒相器最早來自摩托羅拉公司公布的MC4044的芯片中。圖6-9數(shù)字式鑒頻鑒相器電路圖6-10同頻鑒相波形(a)R與V同相；(b)R滯后V；(c)R超前V圖6-11電荷泵輸入輸出特性電荷泵的作用是將數(shù)字比相器輸出U和D的邏輯組態(tài)變換成模擬量UF和DF。分析表明

(6-10)

式中

(6-11)

為鑒相器靈敏度。Udm=0.75V，故Kd=0.12V/rad。由(6-10)式得到的鑒相特性如圖6-12所示，具有三角形鑒相特性。圖6-12鑒相特性圖6-13鑒頻波形圖6-14鑒頻特性圖6-15

CMOS數(shù)字比相器三、門鑒相器

圖6-16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θe，且空度比為1∶1，分析可得輸出平均誤差電壓為

(6-12)圖6-16或門鑒相器(a)原理圖；(b)波形；(c)真值表將(6-12)式示于圖6-17。由圖可見，或門鑒相器具有三角形鑒相特性，其鑒相特性斜率為

(6-13)圖6-17或門鑒相器鑒相特性圖6-18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

(6-14)圖6-18異或門鑒相器(a)原理圖；(b)波形；(c)真值表將(6-14)式示于圖6-19。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

(6-15)

與或門鑒相器比較，其鑒相特性斜率大了一倍，輸出信號(hào)頻率也大了一倍，故輸出紋波較小。因此，在許多集成化的數(shù)字鎖相環(huán)中，如CD4046中的鑒相器就采用異或門電路。圖6-19異或門鑒相器鑒相特性第三節(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

圖6-20示出了一個(gè)積分-施密特觸發(fā)型壓控振蕩器原理圖。圖6-20積分-施密特觸發(fā)型壓控振蕩器原理圖分析可得

(6-16)

式中g(shù)m為恒流源跨導(dǎo)；

(6-17)

為振蕩器壓控靈敏度。圖6-21

SL566的實(shí)際電路圖6-22

ICL8038方框圖頻率可根據(jù)下式計(jì)算：

(6-18)

若RA=RB=RT，則

(6-19)若兩個(gè)定時(shí)電阻合并成一個(gè)時(shí)，則頻率變?yōu)?/p>

(6-20)

當(dāng)改變兩個(gè)外接定時(shí)電阻的比例時(shí)，方波的占空比可在2%～98%內(nèi)變化，此時(shí)3端輸出非對(duì)稱三角波或近似的鋸齒波。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

(6-21)

電路既可以采用10～26V單電源供電，也可采用±5～±13V的雙電源供電。因此，電路非常適用于正弦波、AM、FM和FSK信號(hào)的產(chǎn)生器和壓控振蕩器。圖6-23

XR-2206方框圖二、射極耦合多諧振蕩器型壓控振蕩器

圖6-24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6-24射極耦合壓控多諧振蕩器(a)原理電路；(b)各點(diǎn)波形分析表明，其振蕩頻率為

(6-22)

式中g(shù)m為壓控恒流源的跨導(dǎo)；

(6-23)

為壓控振蕩器的控制靈敏度。圖6-25

MC1658的實(shí)際電路三、LC負(fù)阻型壓控振蕩器

圖6-26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。

從10端向電路內(nèi)部看,由端電壓uc1的上升引起端電流Ic1的下降,呈現(xiàn)負(fù)阻效應(yīng)。據(jù)此構(gòu)成負(fù)阻振蕩器。當(dāng)回路中存在一初始擾動(dòng)時(shí)，在正反饋瞬間會(huì)產(chǎn)生如下過程：圖6-26

LC負(fù)阻壓控振蕩器原理圖反之亦然?？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

(6-24)

CD為變?nèi)荻O管的電容，且

(6-25)將(6-25)式代入(6-24)式，可得

(6-26)可見，f～uD關(guān)系不是線性的。由(6-25)或(6-26)式所決定的CD～uD關(guān)系和f～uD關(guān)系示于圖6-27?；芈冯姼蠰由下式?jīng)Q定：

(6-27)

壓控振蕩器的控制靈敏度Ko在工程上可用下式近似求得：

(6-28)圖6-27

CD～uD和f～uD關(guān)系曲線圖6-28

MC1648實(shí)際電路圖四、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6-29

CMOS數(shù)字門電路型壓控振蕩器原理圖分析可得振蕩頻率為

(6-29)

由于IO受控于uc，故f亦隨uc變化，起到了壓控振蕩器的作用。

CMOS數(shù)字集成鎖相環(huán)5G4046、CD4046中的VCO就是采用這種電路，實(shí)際線路如圖6-30所示。圖6-30

5G4046與CD4046中的VCO實(shí)際線路分析可得

(6-30)

式中UTN和UTP分別為N溝道和P溝道場(chǎng)效應(yīng)管的閾電壓。將

(6-30)式代入(6-29)式，得到

(6-31)第四節(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是單片集成鎖相環(huán)路中最基本的一種電路，其方框圖如圖6-31所示。圖6-31

NE560方框圖

2.NE562

NE562是應(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，其組成方框圖如圖6-32所示。圖6-32

L562方框圖考慮到鑒相器的非理想與飽和特性，其鑒相靈敏度可近似為

(6-32)

式中USRMS是輸入電壓的有效值。當(dāng)USRMS＜40mV時(shí)，Kd近似與輸入信號(hào)成正比；當(dāng)USRMS＞40mV時(shí)，Kd≈1.5V／rad。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有振蕩頻率f之間在數(shù)值上均有如下近似關(guān)系：

(6-33)

3.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，其方框圖如圖6-33所示。圖6-33

XR-215方框圖二、超高頻單片集成鎖相環(huán)

1.NE564

NE564是工作頻率高達(dá)50MHz的一塊超高頻通用單片集

成鎖相環(huán)路，其組成方框圖如圖6-34所示。電路由輸入限幅器、鑒相器、壓控振蕩器、放大器、直流恢復(fù)電路和施密特觸發(fā)器等六大部分組成。圖6-34

NE564方框圖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：

Kd≈0.46(V／rad)+7.3×10-4(V／rad·μA)IB(μA)

(6-34)

在IB＜800mA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)NE564壓控振蕩器的特定設(shè)計(jì)，其固有振蕩頻率為

(6-35)式中RC=100Ω，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

(6-36)

和

(6-37)

在任意工作頻率時(shí)，壓控增益Ko可用下式計(jì)算：

(6-38)圖6-35

FSK檢波后處理電路示意圖

2.μPC1477C

μPC1477C是一塊主要用作衛(wèi)星直播接收機(jī)(室內(nèi)裝置)鎖相解調(diào)器的超高頻單片集成鎖相環(huán)路，其方框圖如圖6-36所示。圖6-36

μPC1477C方框圖三、低頻單片集成鎖相環(huán)

1.NE565

NE565是工作頻率低于1MHz的通用單片集成鎖相環(huán)路，其組成方框圖如圖6-37所示。它包含鑒相器、壓控振蕩器和放大器三部分。圖6-37

NE565方框圖對(duì)NE565而言，壓控振蕩器振蕩頻率可近似表示成

(6-39)

壓控靈敏度為

(6-40)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

(6-41)

放大器增益為