单片集成锁相环2.doc

第11讲 单片集成锁相环 单片集成锁相环是将锁相环路的重要部件鉴相器、压控振荡器以及某些特殊的器件集成在同一基片之上，各部件之间部分连接或均不连接的一种集成电路。使用者可以按需要在电路外部连接各部件来实现锁相环路的各种功能，因此，这种集成锁相环具有多功能或部分多功能的性质，可称之为“通用”。 通用单片集成锁相环的产品已经很多，它们所采用的集成工艺不同，使用的频率也不同。考虑到国内外已有的产品及使用情况，本章介绍几种典型的单片集成锁相环。国内外总的情况另附录三说明。高频单片集成锁相环NE一560NE561NE一562(L一562)HA2800XR一2l0一、NE一560电路说明 NE一560是56系列电路中最基本的一种电路，其方框图如图5-30所示。它包括鉴相器、压控振荡器、环路滤波器、限幅器和两个缓冲放大器。鉴相器由双平衡模拟相乘器组成，输入信号加在12、13端。内部各部件均已接好。当环路对输入信号锁定时电路可提供两种输出，一是与输入信号频率和压控振荡器之间的频差成比例的电压，即鉴频输出，一是与输入信号频率相同的压控振荡器方波输出。图5-30 NE560的内部方广框图NE一560的线路图如图52，压控振荡器由Q11Q14组成，是一个射极定时多谐振荡器，其工作电压是由Q26射极的l4V经63V的齐纳二极管D1之后所得到的77V。这样就免除了电源电压对压控振荡器工作频率的影响。Q20、Q21、Q23、Q24四个管子的基极电压由二极管D6、D7置定，构成四个恒流源为压控振荡器供给工作电流。Q22和Q25组成差分放大器，用以调整压控振荡器的频率。当Q22的偏压高于Q25的偏压时，就会从Q12和Ql3中多拉出一部分电流，使得对外按定时电容C。的充电和放电电流相应地加大。 因为压控振荡的的振荡频率正比于定时电容的充放电电流，所以振荡频率就随之提高。反之，若Q22的偏压低于Q25的偏压，压控振荡器振荡频率则降低。两个三极管Q5、Ql0和两个齐纳二极管D4、D5起电平位移的作用，以满足鉴相器输出与压控振荡器驱动之用的要求。 鉴相器是由Q6Q9，Q17和Q18组成的双平衡相乘器。信号从Q17和Q18的基极输入，它们的偏压是4V。压控振荡器电压从Q12和Q13双端输出，分别加到Q6Q9的基极。Q6(或Q8)和Q7(或Q9）集电极负载上的差分输出即为有效的鉴相输出。从14、端接入的外接网络与两个6kQ电阻一起组成一个低通滤波器即为锁相环的环路滤波器。鉴相器的工作电压是由Q27供给的14V电压。Q25有一个82kQ的集电极负载，从瑞可外接一个去加重电容与它共同构成去加重滤波器。经去加重之后的鉴频输出电压加到Q19组成的射极跟随器，最后从端输出。 端是跟踪范围的输入端，利用它可以改变Q29的射极有效电阻，因为Q29是差分放大器Q22和Q25的恒流源，所以也就控制了差分放大器的总电流。增加或减少从端注入的电流也就控制了压控振荡器的跟踪范围。二)应用举例 NE-560的最高工作频率为30MHZ，最大锁定范围达正负15%f。，鉴频失真小于0.3，输入电阻2k，电源电压+16+26V，典型工作电流9mA，可用作FM鉴频、跟踪滤波等。 1FSK解调NE一560用于FSK解调的例子如图53所示。输入信号的频移在环路中变换成端的直流电平偏移，幅度大约为60mV。此电压经放大后加到电压比较器，变换成与数字逻辑以及相适应的逻辑兼容输出。12端的电压峰峰值等于30mV2V的方波或正弦波。端为去加重端，此端与地之间连接旁通电容，滤除高频噪声。、端之间的C。0.33F决定了压控振荡的自由振荡频率，约为1060Hz。这个定时电容的容量可用下式近似计算。 2 FM解调器 用NE一560作FM解调器时，需要考虑外部电路元件的选择和如何得到所需要的性能。其中包括：输入信号条件、压控振荡器频率、低通滤波器参数选择、输出信号大小、跟踪范围调整、去加重网络参数等等。图54是带有中频放大器和限幅级的FM解调器。输入信号的幅度对电路的工作有明显的影响。如使跟踪范围保证不变，输入信号电平应大于2mV。定时电容仍按(51)式计算，过于精确是不必要的，因为电路的内部电阻值在其标称值的l0内，电路还需要进行微调。微调的方法可用可变电容与C。并联，或者在电源与地之间接一电位器，其滑动片通过一个200限流电阻接人端。低通滤波器参数与环路捅获带密切相关。低通滤波器有几种连接方法，图54在14、15端对地之间接Cl、R1串联电路，这时解调带宽为 (52)式中RA6kQ是鉴相器的输出电阻。例如，需要Bw为15kHZ，就可用10kQ电阻和700pP电容相串联。另一简单的办法是在14、15端之间接一个电容C2，容量可按下式近似计算：若需要Bw达15kHz，可选用885pF的电容。在14、15端之间路接一个电阻R2，可以减小环路锁定范围和解调灵敏度。降低的系数为在输入信号电平过高(Vin30mV)，频率很高(fin5MHz)时，环路增益过高，可能造成不稳定，可考虑采用上述措施。14、15端同时接入C2和R2时，增益缩减系数仍同(54)式，但带宽公式(53)必须修正为9端输出信号电压约为0.3Vpp，即其频偏百分率约为10。例如，频偏为275kHZ的10.7MHZ中频电压，频偏的百分率为则输出电压等于 去加重网络是端对地接一外接电容Cd，对FM广播来说，Cd与内部8k的电阻组成时间常数等于75s，去加重电容量可按下式计算3跟踪滤波 图55(a)是用NE一560组成晶体稳定锁相环跟踪滤波器的电路图，工作频率接近10MHz。 晶体的作用是稳定压控振荡器的自由振荡频率。图55(b)是锁定范围与输入信号幅度的关系曲线，输出端有一射随器，防止负载对环路频率的响应。NE一561的线路基本上与NE一560相同，只是附加了一个正：交检波器。这样，NE56l就可用于AM信号的同步检波。附NE566SE566NE566SE566是一种低频宽带的积分一施密特触发器型的压控多谐振荡 ,可以产生方波和三角波，控制特性呈线性。振荡频率由外接电阻和电容决定。电路工作的电源电压由10V到24V，最高工作频率为1MHz。NE566SE566的电路图见图41B。这是一个有8个引线的电路。端接正电源，端接地。端外接定时电容，端外接定时电阻两者共同决定电路的振荡频率。端为控制电压输入端，通过Q4控制对CT的充放电电流以改变振荡频率。端为三角波输出端，端为方波输出端。端空置。对照原理图可见，这是一个典型的施密特触发电路型的压控多谐振荡器。电路中Q1至Q3组精密压控电流源，Q9至Q12组成非饱和型高速施密特触发器，Q13、Q14和Q16组成高速型电流开关。 这个电路的应用非常广泛，除了可作为锁相环内压控振荡器之外，还可以独立作为FM调制器、信号产生器等等，下面举例说明。 正常情况下电路只能输出三角波与方波，但经过适当的外电路连接也能形成锯齿波。用NE566SE566可直接构成低频FM产生器，具体电路如图423。其载波频率一般不低于0.5MHZ,其中，第一片566作调制信号产生用，另一片作载被信号产生用。选择电容C1以调节调制频率的范围，选择电容Cl确定载波的中心频率。电容C2是耦合电容，只要不致引起调制信号波形的失真即可。图423(a)将调制信号产生器的输出直接推动载波信号产生器，可得到小于 20%的频偏。若需要更大的频偏，则需在两级之间插人放大级，如图4-23(b)，可以获得高达l00%的频偏，如果要求正弦调制，其间还要进行低通过滤或波形变换。低频单片集成锁相环 NE565(BG322、x38) NE565是一块工作频率低于1MHz的通用单片集成锁相环路。和NE562一样，压控振荡器输出与鉴相器输入之间是断开的，允许插入分频器来做成频率合成器。如果需要，也可设法切断鉴相器输出与压控振荡器输入之间的连接，在其中串入放大器或滤波器以改善环路的性能。电路的框图如图538。电路说明 NE565的完整电路见图539。压控振荡器部分是积分-施密特电路。其原理电路如下：图：积分-施密特触发电路型的压控振荡器原理图整体的原理电路如图5-39。晶体管Q1-Q7和二极管D1D3组成精密电流源。Q1的基极端是压控振荡器的控制电压输入端。输入控制电压经Q2加到端，端外接电阻R1。因此，假如忽略Q1微小的基极电流，那么，流过R1进入端的所有电流就流到二极管D1和D3的正极，当Q8受施密特电路控制而导通时，D3反向偏置，所有电流就流过D2、Q6和Q8到地。同时，外接电容Cl通过Q5、Q7和Q8以相伺的电流量放电。当Q8截止时，Q5Q7同时截止，D 2反向偏置，所有电流经D3的外接电容C1充电，充电的流量与放电的流量相同。 电容器Cl上形成的三角波，通过Q9加到由Q11和Q12组成的施密特电路上。二极管D6一D9用于防止Q11和Q12饱和，提高开关速度。施密特触发器的振荡输出经Ql3射随器从端输出。同时，也经差分放大器Q14-Q16反馈至Q8的基极，实现对精密电流源的控制。 鉴相器是双平衡模拟相乘器。Q20和Q24构成信号输入级，可以外部进行偏置。压控振荡器的输出方波电压从端加入，通过D11，加到Ql8Q19、Q22、Q23的基极，对这些晶体管进行开关控制。二极管D12和Dl3对鉴相器的输出限幅。直流放大器Q26、Q27用以提高环路增益。端外接电容器和Q27的集电极电阻R(典型值为36k)组成环路滤波器。端形成误差电压加到压控振荡器的控制端Ql的基极。端提供了一个参考电压，标称值与端相同。、端可以一起作为差分放大器的偏置。参数计算 NE565压控振荡器的自由振荡频率用外接电阻Rl和外接电容Cl调节，近似关系式为 当输入电压幅度Vin200mVp-p时，鉴相器工作在限幅状态，环路的锁定范围可以用下式计算， (548)，式中K。是压控振荡器的增益；Kd是鉴相器的增益，A是放大器的增益； 是环路能够维持锁定的最大相差，对NE-565而言，压控振荡器的增益， 式中+Voc是电源电压(双向馈电时则为总电压）。NE一565的跟踪范围则为 HZ环路的捕获带近似为：式中是环路滤波器的时间常数。RC2，以上近似计算公式在捕获带窄的时候比较准确(如)。 当输入信号的幅度Vin300mVp-p或Vin32mV，NE一565工作到限幅状态，Kd的值可用图548曲线来估计。图中查得的Kd值代表(548)式中的KdA，即可进行其它运算。因为图540中的Kd已包括了放大器的增益A。应用 NE565应用很广，可作FSK解调、单音解码、宽带FM解调、倍频分频等等。下面举几个应用电路的例子。 图544是用NE565组成的FSK解调器。信号频率是1070HZ和1270HZ。当信号从12端输入时，环路对输入信号锁定，频率在这两个之间偏移。相应地，在端输出直流位移信号。环路滤波器电容C2的选择，能使输出波形改善。三级RC滤波器的作用是滤除和频分量。通过调整R1，使得输出端的直流电平与环路的端一样。将、端一起加到电压比较器，就可以得到逻辑兼容输出。 NE565最适宜于构成高线性度的FM解调器，当锁定时，鉴相器输出信号的平均直流电平正比于输入信号频率。随着输入信号的频率偏移，致使压控振荡器频率产生相同偏移的鉴相器输出电压就是FM解调的输出。所以，解调的线性度就取决于压控振荡器电压频率变换特性的线性度