第7章锁相环路 7.0反馈控制电路概述 7.01 AGC ■PLL基本原理 7.1锁相环路的基本概念 ,。PLL各部件的特性与数学模型· PLL的环路方程与相位模型 7.2PLL的线性分析 ■PLL的线性模型与传递函数■PLL的跟踪特性 ■PLL的稳态相差 ■PLL的频率特性 ■PLL的稳定性(*) ■PLL的噪声特性(*) 7.3PLL的非线性分析 ■一阶环路的非线性分析 ■二阶环路的非线性分析 7.4AFC 7.5集成锁相环介绍 ■PLL电路实例与应用举例 Tsinghua University
1 笫7章 锁相环路 7.0反馈控制电路概述 7.01 AGC 7.1锁相环路的基本概念 ◼ PLL各部件的特性与数学模型 7.2PLL的线性分析 ◼ P L L 的线性模型与传递函数 ◼ P L L 的稳态相差 ◼ PLL的稳定性（*） 7.3PLL的非线性分析 ◼ 一阶环路的非线性分析 ◼ 二阶环路的非线性分析 7.4 AFC 7.5集成锁相环介绍 ◼ PLL电路实例与应用举例 ◼ PLL基本原理 ◼ PLL的环路方程与相位模型 ◼ P L L 的跟踪特性 ◼ P L L 的频率特性 ◼ PLL的噪声特性（*）
7.5集成锁相环 口集成PLL(环路滤波器外加)类型： ■模拟环（APLL)一鉴相器为模拟相乘器 通用型：VCO,PD,(+放大器) 专用型：锁相解调，调频立体声解调，电 视的色同步环 ■数字环(DPLL)由部分数字电路，（主要是鉴相器为 数字鉴相器)和全部数字电路（包括数字鉴相器、数字滤 波器、数控振荡器)构成。 通用型：VCO,PD,(+分频器) 专用型：用于频率合成器，电机控制 singhua University 2
2 7.5集成锁相环 集成PLL（环路滤波器外加）类型： ◼ 模拟环（APLL）－鉴相器为模拟相乘器 通用型：VCO，PD，（+放大器） 专用型：锁相解调，调频立体声解调，电 视的色同步环 ◼ 数字环（DPLL）由部分数字电路，（主要是鉴相器为 数字鉴相器）和全部数字电路（包括数字鉴相器、数字滤 波器、数控振荡器）构成。 通用型：VCO，PD，（+分频器） 专用型：用于频率合成器，电机控制
7.5.1集成锁相环主要部件 1、集成鉴相器：数字比相型、模拟相乘器型、抽样保持型。 口模拟相乘器（正弦鉴相特性）型： 灵敏度较低，线性较好，锁定时两信号有0度相移。 口数字鉴相器： ■异或门：输入为对称方波。 ■R-S触发器：输入为脉冲或方波。 ■边沿触发（上升沿或下降沿）鉴频鉴相器：输入为脉冲或 方波有鉴频和鉴相功能。一一常用于锁相频率合成器中。 Tsinghua University
3 7.5.1 集成锁相环主要部件 1、集成鉴相器：数字比相型、模拟相乘器型、抽样保持型。 模拟相乘器(正弦鉴相特性）型： 灵敏度较低，线性较好，锁定时两信号有90度相移。 数字鉴相器： ◼ 异或门：输入为对称方波。 ◼ R-S触发器：输入为脉冲或方波。 ◼ 边沿触发(上升沿或下降沿）鉴频鉴相器：输入为脉冲或 方波有鉴频和鉴相功能。－－常用于锁相频率合成器中
集成鉴相器举例 ▣数字式鉴频鉴相器 ■特点：有鉴相功能及鉴频功能。能使PLL的快捕带加宽，捕捉时间 大为缩短，而且其鉴相特性的线性范围很宽。 ■组成：由数字比相器、电荷泵（电压或电流开关）和滤波器三 部分组成。 ■电路工作原理：以T4044数字式鉴频鉴相器电路为例 ■9个与非门组成数字比相器，将输入信号R与来自VCO的频率可 变的信号比相（后沿比），在比相器输出端U和D,以逻辑电平 (高、低)给出相位超前、滞后以及超前、滞后量的信息。 ■T1~T7组成电荷泵，作用是在数字比相器输出U和D的高低电平 控制下，使T1~T7管子导通、截止，变换成模拟电压去控制低通滤 波器输出高、低或不变电压。电荷泵为电压开关。 R,RT,T,T。RC1组成有源比例积分滤波器形成所需的控制电压 Tsinghua University
4 集成鉴相器举例 数字式鉴频鉴相器 ◼ 特点：有鉴相功能及鉴频功能。能使PLL的快捕带加宽，捕捉时间 大为缩短，而且其鉴相特性的线性范围很宽。 ◼组成: 由数字比相器、电荷泵(电压或电流开关）和滤波器三 部分组成。 ◼ 电路工作原理: 以T4044数字式鉴频鉴相器电路为例 ◼ 9个与非门 组成数字比相器,将输入信号R与来自VCO的频率可 变的信号 比相（后沿比）,在比相器输出端U和D，以逻辑电平 (高、低）给出相位超前、滞后以及超前、滞后量的信息。 ◼ T1～T7组成电荷泵，作用是在数字比相器输出U和D的高低电平 控制下，使T1～T7管子导通、截止，变换成模拟电压去控制低通滤 波器输出高、低或不变电压。电荷泵为电压开关。 1 2, 8 9, 10, 3, 1 R , R T ,T T R C 组成有源比例积分滤波器形成所需的控制电压
数字式鉴频鉴相器电路 13 f(0.) 14 k 10 导通 截止 不变 211 f(0)o D PD 来自VCO 比相器 电荷泵 有源比例积分滤波器 T4044数字式鉴频鉴相器 'singhua University
5 数字式鉴频鉴相器电路 T4044数字式鉴频鉴相器 比相器 电荷泵 有源比例积分滤波器 导通、 截止、 不变
T4044同频鉴相波形 返回 *下降沿 nni几 触发 有的电路 hhr. 上升沿触 发。 ) T4044同频鉴相波形 (a)R与同相；(b)R滞后；(c)R超前V Tsinghua University
6 T4044同频鉴相波形 T4044同频鉴相波形 （a）R与V同相；（b）R滞后V；（c）R超前V *下降沿 触发 有的电路 上升沿触 发。 返回
T4044的鉴频波形 U D d 7-4 T4044的鉴频波形 Tsinghua University
7 T4044的鉴频波形 T4044的鉴频波形
数字式鉴频鉴相器的鉴频作用 口鉴频作用 当环路存在频差时，通过比相器和电荷泵的共同作 用，有一数值上接近的正向或负向阶跃电压加到达 林顿电路的输入端，使它输出的直流控制电压迅速 地向最小或最大值跳变，从而控制VCO的频率迅 速地向减小频差的方向变化，故电路起到了鉴频的 作用。 singhua University 8
8 数字式鉴频鉴相器的鉴频作用 当环路存在频差时，通过比相器和电荷泵的共同作 用，有一数值上接近的正向或负向阶跃电压加到达 林顿电路的输入端，使它输出的直流控制电压迅速 地向最小或最大值跳变，从而控制VCO的频率迅 速地向减小频差的方向变化，故电路起到了鉴频的 作用。 鉴频作用
集成VCo 集成压控振荡器两种基本类型 口电流积分型，它的基本原理是：定时电容在被控电流源 的作用下交替充电放电，形成振荡波形。振荡频率取决于 充电和放电速度，在电容容量一定时，取决于电流源的电 流大小。通过外加电压控制电流源电流大小可以实现对振 荡频率的控制。这类电路（如射极耦合压控多谐振荡器教 材p452,变流式电容充放电VCO等)具有良好的线性压控 特性。 口变容管调谐的集成LC振荡器。在集成电路内，由正反 馈电路产生和维持振荡。振荡频率由LC决定，因此只要用 控制电压改变变容二极管的电容，便可以改变振荡频率， 这种电路的电压一频率特性往往是线性不太好的。 Tsinghua University
9 集成VCO 集成压控振荡器两种基本类型 电流积分型，它的基本原理是：定时电容在被控电流源 的作用下交替充电放电，形成振荡波形。振荡频率取决于 充电和放电速度，在电容容量一定时，取决于电流源的电 流大小。通过外加电压控制电流源电流大小可以实现对振 荡频率的控制。这类电路（如射极耦合压控多谐振荡器教 材p452，变流式电容充放电VCO等）具有良好的线性压控 特性。 变容管调谐的集成LC振荡器。在集成电路内，由正反 馈电路产生和维持振荡。振荡频率由LC决定，因此只要用 控制电压改变变容二极管的电容，便可以改变振荡频率， 这种电路的电压──频率特性往往是线性不太好的
变流式电容充放电压控振荡器 o Vc 控制电压 输出电压 幅度鉴别器 缓冲放大器 电流转发器 S2 变流式电容充放电VCO原理框图 VA高，S2闭合，S,断开 v4低，S2断开，S闭合 Tsinghua University 10
10 变流式电容充放电压控振荡器 变流式电容充放电VCO原理框图 A v A 高， 2 闭合， 断开 v S S1 低， S2 断开， S1 闭合 1 2