鎖相環(huán)集成電路原理和應(yīng)用

一.鎖相環(huán)的基本組成

許多電子設(shè)備要正常工作，通常需要外部的輸入信號與內(nèi)部的振蕩信號同步，利用鎖相環(huán)路就可以實現(xiàn)這個目的。

鎖相環(huán)路是一種反饋控制電路，簡稱鎖相環(huán)(PLL)。鎖相環(huán)的特點是：利用外部輸入的參考信號控制環(huán)路內(nèi)部振蕩信號的頻率和相位。

因鎖相環(huán)可以實現(xiàn)輸出信號頻率對輸入信號頻率的自動跟蹤，所以鎖相環(huán)通常用于閉環(huán)跟蹤電路。鎖相環(huán)在工作的過程中，當(dāng)輸出信號的頻率與輸入信號的頻率相等時，輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值，即輸出電壓與輸入電壓的相位被鎖住，這就是鎖相環(huán)名稱的由來。

鎖相環(huán)通常由鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LF)和壓控振蕩器(VCO)三部分組成，鎖相環(huán)組成的原理框圖如圖8-4-1所示。

鎖相環(huán)中的鑒相器又稱為相位比較器，它的作用是檢測輸入信號和輸出信號的相位差，并將檢測出的相位差信號轉(zhuǎn)換成uD(t)電壓信號輸出，該信號經(jīng)低通濾波器濾波后形成壓控振蕩器的控制電壓uC(t)，對振蕩器輸出信號的頻率實施控制。

二.鎖相環(huán)的工作原理

鎖相環(huán)中的鑒相器通常由模擬乘法器組成，利用模擬乘法器組成的鑒相器電路如圖8-4-2所示。

鑒相器的工作原理是：設(shè)外界輸入的信號電壓和壓控振蕩器輸出的信號電壓分別為：

(8-4-1)

(8-4-2)

式中的ω0為壓控振蕩器在輸入控制電壓為零或為直流電壓時的振蕩角頻率，稱為電路的固有振蕩角頻率。則模擬乘法器的輸出電壓uD為：

用低通濾波器LF將上式中的和頻分量濾掉，剩下的差頻分量作為壓控振蕩器的輸入控制電壓uC(t)。即uC(t)為：

(8-4-3)

式中的ωi為輸入信號的瞬時振蕩角頻率，θi(t)和θO(t)分別為輸入信號和輸出信號的瞬時位相，根據(jù)相量的關(guān)系可得瞬時頻率和瞬時位相的關(guān)系為：

即

(8-4-4)

則，瞬時相位差θd為

(8-4-5)

對兩邊求微分，可得頻差的關(guān)系式為

(8-4-6)

上式等于零，說明鎖相環(huán)進(jìn)入相位鎖定的狀態(tài)，此時輸出和輸入信號的頻率和相位保持恒定不變的狀態(tài)，uc(t)為恒定值。當(dāng)上式不等于零時，說明鎖相環(huán)的相位還未鎖定，輸入信號和輸出信號的頻率不等，uc(t)隨時間而變。

因壓控振蕩器的壓控特性如圖8-4-3所示，該特性說明壓控振蕩器的振蕩頻率ωu以ω0為中心，隨輸入信號電壓uc(t)的變化而變化。該特性的表達(dá)式為

(8-4-6)

上式說明當(dāng)uc(t)隨時間而變時，壓控振蕩器的振蕩頻率ωu也隨時間而變，鎖相環(huán)進(jìn)入“頻率牽引”，自動跟蹤捕捉輸入信號的頻率，使鎖相環(huán)進(jìn)入鎖定的狀態(tài)，并保持ω0=ωi的狀態(tài)不變。

三、鎖相環(huán)的應(yīng)用

3.1.鎖相環(huán)在調(diào)制和解調(diào)中的應(yīng)用

(1)調(diào)制和解調(diào)的概念

為了實現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸，在發(fā)信端通常采用調(diào)制的方法對信號進(jìn)行調(diào)制，收信端接收到信號后必須進(jìn)行解調(diào)才能恢復(fù)原信號。

所謂的調(diào)制就是用攜帶信息的輸入信號ui來控制載波信號uC的參數(shù)，使載波信號的某一個參數(shù)隨輸入信號的變化而變化。載波信號的參數(shù)有幅度、頻率和位相，所以，調(diào)制有調(diào)幅(AM)、調(diào)頻(FM)和調(diào)相(PM)三種。

調(diào)幅波的特點是頻率與載波信號的頻率相等，幅度隨輸入信號幅度的變化而變化;調(diào) 頻波的特點是幅度與載波信號的幅度相等，頻率隨輸入信號幅度的變化而變化;調(diào)相波的特點是幅度與載波信號的幅度相等，相位隨輸入信號幅度的變化而變化。調(diào) 幅波和調(diào)頻波的示意圖如圖8-4-4所示。

上圖的(a)是輸入信號，又稱為調(diào)制信號;圖(b)是載波信號，圖(c)是調(diào)幅波和調(diào)頻波信號。

解調(diào)是調(diào)制的逆過程，它可將調(diào)制波uO還原成原信號ui。

3.2.鎖相環(huán)在調(diào)頻和解調(diào)電路中的應(yīng)用

調(diào)頻波的特點是頻率隨調(diào)制信號幅度的變化而變化。由8-4-6式可知，壓控振蕩 器的振蕩頻率取決于輸入電壓的幅度。當(dāng)載波信號的頻率與鎖相環(huán)的固有振蕩頻率ω0相等時，壓控振蕩器輸出信號的頻率將保持ω0不變。若壓控振蕩器的輸入信 號除了有鎖相環(huán)低通濾波器輸出的信號uc外，還有調(diào)制信號ui，則壓控振蕩器輸出信號的頻率就是以ω0為中心，隨調(diào)制信號幅度的變化而變化的調(diào)頻波信號。 由此可得調(diào)頻電路可利用鎖相環(huán)來組成，由鎖相環(huán)組成的調(diào)頻電路組成框圖如圖8-4-5所示。

根據(jù)鎖相環(huán)的工作原理和調(diào)頻波的特點可得解調(diào)電路組成框圖如圖8-4-6所示。

3.3.鎖相環(huán)在頻率合成電路中的應(yīng)用

在現(xiàn)代電子技術(shù)中，為了得到高精度的振蕩頻率，通常采用石英晶體振蕩器。但石英晶體振蕩器的頻率不容易改變，利用鎖相環(huán)、倍頻、分頻等頻率合成技術(shù)，可以獲得多頻率、高穩(wěn)定的振蕩信號輸出。

輸出信號頻率比晶振信號頻率大的稱為鎖相倍頻器電路;輸出信號頻率比晶振信號頻率小的稱為鎖相分頻器電路。鎖相倍頻和鎖相分頻電路的組成框圖如圖8-4-7所示。