電子系統(tǒng)RF與天線第四章new匯編

1、第三章信號(hào)的產(chǎn)生頻率(pnl)綜合技術(shù) 在現(xiàn)代電子通信系統(tǒng)中，穩(wěn)定的重復(fù)波形信號(hào)（正弦波、非正弦波） 是必不可少的。多種情況下，需要的頻率還不止一個(gè)，且有一定的同步要求。因此，信號(hào)產(chǎn)生、信號(hào)同步、頻率合成都是電子系統(tǒng)的基本組成部分，有時(shí)甚至(shnzh)成為通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。 本章主要介紹振蕩器、鎖相環(huán)及頻率合成技術(shù)。共一百六十四頁3.1 振蕩器一、基本(jbn)要求 振蕩定義為在兩個(gè)狀態(tài)或兩個(gè)條件之間的周期變動(dòng)。 根據(jù)Barkhause準(zhǔn)則，電路(dinl)要想維持振蕩，必須滿足：（1）反饋環(huán)路的凈增益必須大于或等于1（2）環(huán)路中信號(hào)的凈相移必須是360的正整數(shù)倍（正反饋）。共一百六十

2、四頁3.1 振蕩器 因此(ync)，實(shí)際的振蕩器必須有以下組成部分：1.放大 提供(tgng)=1的正增益，故振蕩器必為有源電路。2.正反饋 必須要有將輸出信號(hào)送回輸入端的信號(hào)通路，且為正反饋，并滿足相移條件。共一百六十四頁3.1 振蕩器3.頻率決定條件 決定振蕩器工作頻率的元件如：電阻、電容(dinrng)、電感、晶體等4.電源(dinyun) 必須要有外加能源以確保增益=1 震蕩器必為有源電路！共一百六十四頁二、振蕩器的基本(jbn)數(shù)學(xué)模型加法器放大器反饋網(wǎng)絡(luò)Vi+-V2V3V4Ad共一百六十四頁二、振蕩器的基本(jbn)數(shù)學(xué)模型在上式中，若對(duì)某個(gè)(mu )頻率 Ad=-1, Al 此時(shí)

3、電路將發(fā)生振蕩，而不需要外部輸入信號(hào)。震蕩器中放大的是什么？閉環(huán)電路增益共一百六十四頁三、振蕩器的主要(zhyo)電性能指標(biāo)1.工作頻率（可調(diào)范圍(fnwi)）2.頻率穩(wěn)定度（時(shí)域阿倫方差 頻域 相位噪聲）3.輸出功率4.失真（主要是諧波）5.精度要求用相對(duì)準(zhǔn)確度來衡量 工程上還有成本、體積、功耗、可靠性等要求。共一百六十四頁四、基本(jbn)振蕩器類型1.文氏電橋振蕩器 利用超前滯后網(wǎng)絡(luò)作反饋(fnku)支路的振蕩器。+-R2C2R1C1RiRf=2 RiA超前滯后網(wǎng)絡(luò)共一百六十四頁1.文氏電橋(din qio)振蕩器反饋網(wǎng)絡(luò)(wnglu)的轉(zhuǎn)移特性曲線f01/2f共一百六十四頁四、基本(j

4、bn)振蕩器類型2.Hartley振蕩器（電感(din n)三端振蕩器）L1L2C1Hartley振蕩器原理圖共一百六十四頁2.Hartley振蕩器Hartley振蕩器電路圖L1L2C1C3R2R1LC2Vcc隔直耦合共一百六十四頁四、基本(jbn)振蕩器類型注意： Hartley振蕩器工作是否正常(zhngchng)主要由電感抽頭（L1 ，L2的比值）決定。反饋能量太小，不易振蕩，反饋能量太大，晶體管要飽和，相位噪聲要大幅增加。共一百六十四頁四、基本(jbn)振蕩器類型3.Copitts振蕩器（電容(dinrng)三端）LC1C2Copitts振蕩器原理圖共一百六十四頁3.Copitts振蕩

5、器Copitts振蕩器電路圖LC1C3R2R1LC2Vcc共一百六十四頁四、基本(jbn)振蕩器類型4.clapp振蕩器（改進(jìn)(gijn)的copitts振蕩器）clapp振蕩器原理圖（實(shí)際電路中常用）LC1(X2)C2(X3)C3X1共一百六十四頁5.振蕩器的低噪聲設(shè)計(jì)(shj)5.振蕩器的低噪聲設(shè)計(jì) 振蕩器的設(shè)計(jì)目標(biāo)之一就是低噪聲，以clapp振蕩器為例，理論分析表明，振蕩器輸出(shch)相位噪聲為共一百六十四頁5.振蕩器的低噪聲設(shè)計(jì)(shj) 據(jù)上公式，從降低噪聲的角度來看，關(guān)鍵(gunjin)是提高QL。 實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，除要求振蕩回路元件空載品質(zhì)因素盡可能高外，電路設(shè)計(jì)主要目標(biāo)是減小放

6、大器引入的損耗。具體就是應(yīng)設(shè)計(jì)好直流偏置，讓電路始終工作在線性放大區(qū)間，尤其不能出現(xiàn)飽和狀態(tài)。若用單管放大器，則應(yīng)盡量減小bc結(jié)跨導(dǎo)的影響。一般而言有：共一百六十四頁5.振蕩器的低噪聲設(shè)計(jì)(shj)共一百六十四頁6.低頻(dpn)自激6.低頻(dpn)自激 低噪聲振蕩器的特征之一是要接入一定數(shù)量的扼流圈以提供直流偏置（通路），從而可能引起低頻自激。 低頻自激產(chǎn)生的主要原因是扼流圈的諧振頻率不高。從而導(dǎo)致反饋支路電抗變性；改變振蕩條件，引發(fā)寄生振蕩。解決辦法是近可能設(shè)計(jì)成支路電抗特性不受扼流圈的影響。共一百六十四頁基本(jbn)振蕩器相噪指標(biāo) 上述(shngsh)RLC振蕩器的穩(wěn)定度大致在10-

7、3左右，相位噪聲最好指標(biāo)大約如下： 因此，單獨(dú)應(yīng)用時(shí)只能用于一般要求很低的場(chǎng)合。共一百六十四頁其它(qt)振蕩器類型 在GHz以上還有一些其它(qt)形式的振蕩器。如微帶振蕩器，介質(zhì)腔體振蕩器，YIG振蕩器，耿氏二極管振蕩器等。 它們的等效電路都和前面介紹的類似，只是利用的反饋方式或介質(zhì)不同而已。共一百六十四頁五、晶體振蕩器 從前面我們知道，低噪聲振蕩器要求盡可能高的有載品質(zhì)因素。這里(zhl)高的空載品質(zhì)因素是前提。以石英晶體為代表的壓電晶體器件就具有這一條件。一般(ybn)的電感 Ql: 2080粗銅線繞制電感 Ql: 100400石英晶體 Ql: 幾幾十萬共一百六十四頁五、晶體振蕩器 因

8、此，設(shè)計(jì)良好的晶體振蕩器具有頻率穩(wěn)定度高，相位(xingwi)噪聲低的顯著優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代通信系統(tǒng)較好的基準(zhǔn)源之一。 可作晶振的晶體(jngt)有多種，但以石英晶體(jngt)為代表。下面，我們主要介紹已石英晶體(jngt)為核心的振蕩器共一百六十四頁1.石英晶體(jngt)的切割1.石英(shyng)晶體的切割 石英晶體的壓電特性是：當(dāng)在晶格結(jié)構(gòu)的一個(gè)方向上施加機(jī)械力時(shí)，在另一個(gè)方向它會(huì)產(chǎn)生電振動(dòng)。反之亦然。這種振動(dòng)也稱為體聲波（BAW），與施加電壓的振幅成正比。 石英晶體的特性與其切割方式有很大關(guān)系。常見切割方式與特性如下：共一百六十四頁1.石英(shyng)晶體的切割A(yù)T800K30MHz沿

9、X軸切比沿Y軸切的溫度特性好BTCT100500KHzDTETGT500KHz溫度特性最好MT50100KHz高穩(wěn)晶振都需要恒溫NT30 MHz都是用泛音晶振。共一百六十四頁2.晶體的等效(dn xio)特性2.晶體(jngt)的等效特性L C1 RC2上圖中：L是等效電感 （一般mH量級(jí)）C1為等效電容，R為等效電阻（101量級(jí)） C2為等效支架電容（5pF）共一百六十四頁2.晶體(jngt)的等效特性由圖可知石英晶體(jngt)有兩個(gè)諧振頻率串聯(lián)諧振頻率:并聯(lián)諧振頻率:共一百六十四頁2.晶體的等效(dn xio)特性石英晶體(jngt)的電抗特性fsf2Xcf感性區(qū)域容性區(qū)域共一百六十四頁

10、五、晶體振蕩器3.晶體振蕩器（1）分立(fn l)Pierce電路（工作在感性區(qū)）C1C2CXTALout共一百六十四頁（1）分立(fn l)Pierce晶振特點(diǎn)(tdin)：1、短期穩(wěn)定度好2、輸出功率大3、但放大器增益要求高（70，故實(shí)際可能為多級(jí)放大器）共一百六十四頁（2）集成(j chn)Pierce電路（2）集成Pierce電路(dinl)（工作在感性區(qū)）C1C2RFout RF的作用為保證處于放大器處于A類工作狀態(tài)。上電路為大多數(shù)IC采用。自己搭建時(shí)也可用門電路代替放大器。共一百六十四頁（3）串聯(lián)式晶振（3）串聯(lián)式晶振 利用前面(qin mian)介紹的LC振蕩器及晶體的串聯(lián)諧振特

11、性構(gòu)成晶振。C1C2C3L串聯(lián)式clapp晶振原理圖共一百六十四頁（3）串聯(lián)式晶振實(shí)際(shj)電路C1C2CL8.2H1K10045p1001722p1.2H30010040MHz2K1K-12V1000.018K10K3091p0.01共一百六十四頁（3）串聯(lián)式晶振 外回路工作在晶體fs附近，在用40MHz晶體時(shí)實(shí)測(cè)得輸出相位(xingwi)噪聲調(diào)試(dio sh)時(shí)先用0.01100 代替晶體，將外振蕩調(diào)到fs附近，再換接上晶體即可。共一百六十四頁（4）雙晶體振蕩器（4）雙晶體振蕩器 有時(shí)為了得到更好的相位噪聲特性(txng)，也采用了雙晶體振蕩器，即外振蕩器也用晶體取代電感C1C2共一

12、百六十四頁（5）高穩(wěn)晶振（5）高穩(wěn)晶振 當(dāng)前，作為電子系統(tǒng)頻率(pnl)或時(shí)間基準(zhǔn)的高穩(wěn)晶振，為了得到較高的技術(shù)指標(biāo)，主要只有5MHz、10MHz、60MHz、100MHz等少數(shù)幾個(gè)頻點(diǎn)。系統(tǒng)所需的其它頻點(diǎn)則需要通過頻率合成而得到。 而且，由于(yuy)晶體的電參數(shù)會(huì)隨溫度而變化，高穩(wěn)晶振通常都要采用恒溫或溫補(bǔ)措施。共一百六十四頁（5）高穩(wěn)晶振 高穩(wěn)晶振目前能達(dá)到的最好相噪指標(biāo)大致(dzh)如下：注意：對(duì)于石英晶振，只要電路工作基本正常，至少應(yīng)達(dá)到(d do)以下水平：共一百六十四頁各種( zhn)時(shí)基的對(duì)比品種時(shí)域穩(wěn)定度（秒穩(wěn)）一般晶振10-510-6溫補(bǔ)晶振10-610-8恒溫晶振10-7

13、10-9銣鐘10-910-11銫鐘10-1110-13氫鐘10-13以上注意(zh y)：時(shí)基的可信頻率準(zhǔn)確度大約比穩(wěn)定度低12個(gè)量級(jí)。共一百六十四頁六、壓控振蕩器 電壓控制震蕩器(VCO)是現(xiàn)代(xindi)頻率合成器中的一個(gè)重要的基本組成部件，只有基于它，我們才能實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)頻率的細(xì)微控制，從而完成AFC、鎖相與頻率合成。 VCO的實(shí)質(zhì)原理是振蕩回路中電抗元件(yunjin)（主要是電容）隨控制電壓變化，從而改變輸出頻率。1.VCO的主要技術(shù)指標(biāo)（1）盡可能低的相位噪聲質(zhì)量指標(biāo)共一百六十四頁1.VCO的主要(zhyo)技術(shù)指標(biāo)VcVc高Vc低f低f高f（2）頻率的相對(duì)覆蓋(fgi)（針對(duì)控制

14、電壓范圍）共一百六十四頁1.VCO的主要(zhyo)技術(shù)指標(biāo)最好采用(ciyng)晶體壓控振蕩器 VCXO采用LC VCO一般而言（3）壓控頻率特性曲線的非線性用非線性系數(shù)Kn表征,其定義如下：斜率之比共一百六十四頁1.VCO的主要(zhyo)技術(shù)指標(biāo) 對(duì)VCO來講,其非線性應(yīng)盡可能小。太大可能導(dǎo)致鎖相環(huán)路參數(shù)急劇變化，從而引起(ynq)不穩(wěn)定。上式中:共一百六十四頁1.VCO的主要(zhyo)技術(shù)指標(biāo)頻率(pnl)合成器中一般要求Kn的大小取決于：a.變?nèi)莨芴匦詁.變?nèi)莨芙尤敕绞絚.Vc的變化范圍（4）輸出幅度平坦度 應(yīng)盡可能平穩(wěn)（有助于諧波抑制）。共一百六十四頁2.變?nèi)?bin rn)管特

15、性2.變?nèi)莨芴匦?txng) 目前絕大多數(shù)VCO都是利用晶體管PN結(jié)結(jié)電容隨電壓而變化的特性來改變振蕩頻率的。其變化規(guī)律如下：上式中：變?nèi)莨艿刃щ娙莨惨话倭捻?.變?nèi)?bin rn)管特性變?nèi)?bin rn)管基本結(jié)偏壓 0.65V變?nèi)莨芸刂齐妷罕壤?shù)與PN結(jié)工藝相關(guān)變?nèi)葜笖?shù)對(duì)突變結(jié)型 n=0.5超突變結(jié)型 12共一百六十四頁2.變?nèi)?bin rn)管特性 國(guó)產(chǎn)變?nèi)莨芤话銥橥蛔?tbin)結(jié)型（如2CB系列），容量8150pF，使用時(shí)應(yīng)反偏壓。其等效圖如下：Cjrs其品質(zhì)因數(shù)共一百六十四頁2.變?nèi)?bin rn)管特性 因?yàn)閞s與f0無關(guān)，所以變?nèi)?bin rn)管品質(zhì)有時(shí)又用優(yōu)質(zhì)因子來

16、描述。 國(guó)產(chǎn)變?nèi)莨?2CB)優(yōu)質(zhì)因子約為： （5100）102MHz 注意: 變?nèi)莨茉趹?yīng)用中一定要有直流偏置通路.共一百六十四頁3.變?nèi)?bin rn)管的接入3.變?nèi)?bin rn)管的接入 在振蕩電路中變?nèi)莨艿慕尤?，有下列三種方式(a)串聯(lián)式 (b)全接入 (c)并聯(lián)式CjC1LLLCjCjC2共一百六十四頁3.變?nèi)?bin rn)管的接入（1）串聯(lián)(chunlin)接入式顯然從而可推得共一百六十四頁3.變?nèi)?bin rn)管的接入相對(duì)(xingdu)覆蓋上式中：共一百六十四頁3.變?nèi)?bin rn)管的接入（2）全電容(dinrng)接入式共一百六十四頁3.變?nèi)?bin rn)管的接入（

17、3）并聯(lián)式共一百六十四頁變?nèi)莨艿慕尤敕绞?fngsh)的比較（4）三種(sn zhn)方式的比較相對(duì)覆蓋： 顯然全接入最大，串聯(lián)接入時(shí)C1愈大愈接近全接入式，并聯(lián)接入C2愈小愈接近全接入式。非線性 （同樣條件）比較共一百六十四頁變?nèi)?bin rn)管的接入方式的比較 故串聯(lián)接入最好。但隨著相對(duì)覆蓋要求的增大(zn d)，串聯(lián)Kn增大，并聯(lián)Kn減小，都趨向于全接入Kn1641/4221611821/2全接入Kn并聯(lián)Kn串聯(lián)Kn變?nèi)葜笖?shù)共一百六十四頁六、壓控振蕩器(設(shè)計(jì)(shj)步驟)4.LC VCO實(shí)際電路(dinl)（1）設(shè)計(jì)步驟a.決定支持電路形式b.決定振蕩回路的參數(shù)c.決定扼流圈電抗值，

18、并要求其自然諧振頻率遠(yuǎn)高于VCO最高工作頻率d.根據(jù)Kn要求選擇Cj并確保其正常工作（反偏）共一百六十四頁六、壓控振蕩器(實(shí)例(shl)（2）設(shè)計(jì)(shj)實(shí)例CC10002510003KCCC-12V60Xj400Xl3300Xk4Xk180CCXk2IE2*3KC100X115X280R1簡(jiǎn)化差分支持clapp VCO共一百六十四頁六、壓控振蕩器 滿足短波SSB一級(jí)電臺(tái)對(duì)VCO的要求(yoqi)（高中頻變頻要求fLO:92.1120.4999MHz） 上電路在變?nèi)莨懿捎?CB14(n=1/2)，Xl以聚四氟乙烯作骨架(gji)用鍍銀裸銅線繞成（Qe300）時(shí)，輸出信號(hào)幅度約為Vpp=200

19、mV，相對(duì)覆蓋可達(dá)45%（85MHz/3V125MHz/15V），且單邊帶相噪達(dá)到:共一百六十四頁六、壓控振蕩器說明(shumng)： 1. Xk1Xk4設(shè)計(jì)取值主要考慮防止(fngzh)低頻自激 2. R1,R2防止超高頻自激，最好用鐵氧體磁珠。3.實(shí)際中C取值較設(shè)計(jì)值大。共一百六十四頁六、壓控振蕩器（集成(j chn)VCO）（3）集成(j chn)VCO 由于PLL可以改善VCO的輸出相噪，故現(xiàn)在一般性的應(yīng)用已不需要自己設(shè)計(jì)制作VCO。有多種集成VCO可供選擇。通常集成在IC芯片上的VCO相噪較差，專門的集成VCO略好些，大致相噪指標(biāo)為： 小功率應(yīng)用已足夠。共一百六十四頁六、壓控振蕩器某

20、國(guó)產(chǎn)集成(j chn)VCO電路如下：Vc4700p+15V2.2K470pLL15.1K200p51240200pLL210K2000poutput共一百六十四頁六、壓控振蕩器 對(duì)集成VCO一般在200MHz以下，電感由磁環(huán)繞(hunro)線而成；200MHz以上，通常以基板上的走線等效電感。目前集成VCO的工作頻率已可達(dá)到16GHz，相對(duì)覆蓋已可達(dá)到200%（030V）共一百六十四頁六、壓控振蕩器（相噪分析(fnx)）5.VCO相噪分析（1）Cj在振蕩回路中的等效(dn xio)的影響VCOCjERRCVC(a) VCO在使用時(shí)需加上控制電路，其等效圖如下： 若Cj的等效如側(cè)圖，則Rc會(huì)引

21、入損耗，降低QL。共一百六十四頁六、壓控振蕩器 解決辦法是改用(b)圖等效(dn xio)。Cj(b)C 而且電阻Rc熱噪聲電動(dòng)勢(shì)ER會(huì)對(duì)VCO進(jìn)行(jnxng)寄生調(diào)頻。共一百六十四頁六、壓控振蕩器（2）VCO總輸出的相噪 VCO總輸出的相噪是由振蕩回路(hul)，支持電路與控制電路的疊加而決定的。理論分析表明：上式中：支持電路(dinl)白相噪支持電路的1/f相噪控制電路RC引入相噪共一百六十四頁六、壓控振蕩器支持電路(dinl)相噪特性（單管放大器）1 10 102 103 104-160-130-120-30f共一百六十四頁六、壓控振蕩器表3.1RCKAOR(dB/Hz)ReKA0(單

22、管/差放)KA1(單管/差放)100-1730-156-147/-135-125/-1K-1630-165-160/ -174-165-140-135/-14710K-153共一百六十四頁六、壓控振蕩器 當(dāng)KA0KA0R時(shí)，接入RC無多大影響(yngxing)，又寬覆蓋的VCO, KA0R影響大，解決(jiju)措施是用扼流圈取代之，但應(yīng)小心寄生振蕩。共一百六十四頁六、壓控振蕩器6.VCXO 壓控晶振CCL VCXO的實(shí)現(xiàn)方法是將原晶體振蕩器的晶體以可變諧振(xizhn)頻率的晶組替換。（1）窄帶(zhi di)式晶組共一百六十四頁六、壓控振蕩器 晶體工作在感性區(qū)域，即f fs，此種晶組的相對(duì)

23、(xingdu)覆蓋很小，一般在10-5以下，設(shè)計(jì)時(shí)只需計(jì)算Cj范圍并選取變?nèi)莨芗纯?。?）串聯(lián)式寬帶(kun di)晶組 原理：設(shè)計(jì)Lo與Co在fs諧振。將晶組并聯(lián)諧振頻率推高。Ls與Cj串聯(lián)諧振于fs，從而晶體工作于fs附近。此種設(shè)計(jì)相對(duì)覆蓋約在10-4左右。LsCjLo共一百六十四頁某100MHz-VCXO的相噪特性(txng)共一百六十四頁六、壓控振蕩器（3）抽頭(chu tu)寬帶晶組LoLs2CjXk1Xk2LCC1C0Lo/m2LRLs1Ls2Cjr共一百六十四頁六、壓控振蕩器 工作原理：利用電感抽頭將Cj的阻抗降低從而實(shí)現(xiàn)寬帶變頻，此種方式相對(duì)(xingdu)覆蓋可進(jìn)入10-3

24、量級(jí)。共一百六十四頁思考題六做VCO設(shè)計(jì)(shj)應(yīng)主要考慮哪些因素及措施？共一百六十四頁3.2 鎖相環(huán) PLL 鎖相環(huán)是一個(gè)帶負(fù)反饋（相位）的非線性系統(tǒng)，尤其(yuq)是由開始未鎖到最終鎖定的這一段工作過程非常復(fù)雜，數(shù)學(xué)分析十分繁瑣。 然而，PLL應(yīng)用最終都應(yīng)處于鎖定狀態(tài)，鎖定后的PLL在一定的動(dòng)態(tài)范圍之內(nèi)是可以近似地認(rèn)為(rnwi)是線性的！故從工程角度出發(fā)可以用線性系統(tǒng)或準(zhǔn)線性系統(tǒng)的方法對(duì)之進(jìn)行分析。共一百六十四頁3.2.1相位(xingwi)噪聲 本課程的介紹的即是以線性系統(tǒng)的方法對(duì)之進(jìn)行分析。 PLL是對(duì)參考信號(hào)的相位進(jìn)行鎖定(su dn)，它是對(duì)相位進(jìn)行處理，因此，對(duì)相位噪聲的影響

25、較大。為了更好的了解PLL的原理，有必要再回顧一下有關(guān)相位噪聲的性質(zhì)。一、相位噪聲的定義 相位噪聲是指周期信號(hào)的相位隨機(jī)噪聲和確定周期干擾對(duì)相位的寄生調(diào)相。共一百六十四頁3.2.1相位(xingwi)噪聲二、相位噪聲(zoshng)的性質(zhì)1.疊加性（混頻器）共一百六十四頁3.2.1相位(xingwi)噪聲 對(duì)于不相關(guān)的兩個(gè)信號(hào)(xnho)其相位線性等效模型為：共一百六十四頁3.2.1相位(xingwi)噪聲N2.比例(bl)性（1）倍頻器注意：倍頻器只使得輸出信號(hào)的相噪增大N倍（振幅），而相噪的譜型仍保持不變（例如雜散位置不變）共一百六十四頁3.2.1相位(xingwi)噪聲（2）分頻器N 分

26、頻器使相噪振幅降低(jingd)N倍，譜型同樣保持不變。注意：分頻器也只使得輸出信號(hào)的相噪減小N倍（振幅），而相噪的譜型仍將保持不變（例如雜散位置不變）共一百六十四頁3.2.2 鎖相環(huán)組成(z chn)與原理3.2.2 鎖相環(huán)組成(z chn)與原理FL(P)VCO一、基本組成鎖相環(huán)鎖定后的線性化相位模型如下：共一百六十四頁3.2.2 鎖相環(huán)組成(z chn)與原理 由上可見一個(gè)(y )PLL至少應(yīng)有三個(gè)組成部分：鑒相器、低通濾波器、壓控振蕩器。 環(huán)路鎖定后，環(huán)路中流動(dòng)的信息是相位，因此，上述三個(gè)部分的線性化等效模型（鎖定后）分別為：共一百六十四頁3.2.2 鎖相環(huán)組成(z chn)與原理1.

27、鑒相器 鎖定后a=i，K為鑒相增益，比較相差(xin ch)并將相差(xin ch)轉(zhuǎn)化為電壓。共一百六十四頁3.2.2 鎖相環(huán)組成(z chn)與原理2.低通濾波器FL(p) 這里(zhl)FL(p)可以是零階低通（比例器），一階低通等，它主要決定了PLL的階數(shù)。共一百六十四頁3.2.2 鎖相環(huán)組成(z chn)與原理3.壓控振蕩器 將控制(kngzh)電壓轉(zhuǎn)化為頻率（相當(dāng)于一積分器）共一百六十四頁3.2.2 鎖相環(huán)組成(z chn)與原理FL(p) 上PLL輸出信號(hào)與輸入(shr)同頻，為了改變輸出頻率還可在環(huán)路中插入分頻器（如下頁圖）、倍頻器、混頻器等。共一百六十四頁3.2.2 鎖相環(huán)組

28、成(z chn)與原理FL(p)N反饋環(huán)路(hun l)中插入分頻器(除N)共一百六十四頁3.2.2 鎖相環(huán)組成(z chn)與原理4.PLL的傳遞函數(shù)（1）前向傳遞函數(shù)（2）誤差傳遞函數(shù)(hnsh)顯然，二者互補(bǔ)，即H(p)低通，He(p)高通共一百六十四頁傳遞函數(shù)特性(txng)KK 前向傳遞函數(shù)H(p)呈現(xiàn)跟蹤(gnzng)低通特性。 誤差傳遞函數(shù)He(p)呈現(xiàn)跟蹤低通特性。共一百六十四頁傳遞函數(shù)特性(txng)1、參考輸入(shr)信號(hào)PLL輸出信號(hào) 受H(p)的影響，呈跟蹤低通濾波特性。2、VCO 輸出 受負(fù)反饋的影響，呈跟蹤高通濾波特性。（低頻部分被負(fù)反饋對(duì)消，VCO的低頻相噪被抑

29、制，可改善VCO近端相噪）（輸入信號(hào)相噪高頻部分被環(huán)路抑制，可改善輸入信號(hào)的遠(yuǎn)端相噪）共一百六十四頁傳遞函數(shù)特性(txng)3、其它部分PLL輸出(shch)信號(hào) 除VCO以外的環(huán)路其他部分-鑒相器、分頻器、混頻器、濾波器、放大器等引入的附加噪聲，均受H(p)的影響，呈現(xiàn)跟蹤低通特性。 PLL總的輸出信號(hào)的相噪特性為以上各種（信號(hào)）相噪分別在兩個(gè)傳遞函數(shù)影響下的綜合結(jié)果！共一百六十四頁二、PLL典型(dinxng)部件1.鑒相器 鑒相器的種類有很多，但大致(dzh)可以分為兩類。（1）模擬鑒相器即以乘法器（混頻器作鑒相器）。共一百六十四頁二、PLL典型(dinxng)部件 其有效(yuxio)

30、鑒相區(qū)域?yàn)?/2 /2，且近似線性區(qū)域僅在0點(diǎn)附近。只具備鑒相功能（必需同頻）。目前已較少應(yīng)用。共一百六十四頁二、PLL典型(dinxng)部件0（2）脈沖鑒相器輸入(shr)信號(hào)為脈沖信號(hào)。 典型的有異或門鑒相器與雙D鑒相器，為大多數(shù)集成芯片所采用。既具鑒相也具鑒頻功能。共一百六十四頁二、PLL典型(dinxng)部件 鑒相區(qū)域(qy)為-2+2 ，在區(qū)域(qy)內(nèi)呈線性。輸出大多為兩路信號(hào)（脈沖），以脈沖寬度差代表相差。 故后面多接有積分電路已將相差脈沖轉(zhuǎn)化為控制（直流）電壓。共一百六十四頁二、PLL典型(dinxng)部件雙D鑒相器原理圖：abC+5V(Vcc)cedghf電荷泵C3R1

31、1C3=40400pR11=100共一百六十四頁二、PLL典型(dinxng)部件2.環(huán)路(hun l)濾波器R1C1C2RiV(t)Vc(t)（1）無源Z網(wǎng)絡(luò)共一百六十四頁（1）無源(w yun)Z網(wǎng)絡(luò)一般(ybn)滿足共一百六十四頁（1）無源(w yun)Z網(wǎng)絡(luò)20lg|F(p)FL(p)|-6-6共一百六十四頁（1）無源(w yun)Z網(wǎng)絡(luò)若鑒相器輸出(shch)的是脈沖電流（如下圖）R1C1C2i(t)Vc(t)共一百六十四頁（1）無源(w yun)Z網(wǎng)絡(luò)一般也要求(yoqi)滿足：共一百六十四頁（1）無源(w yun)Z網(wǎng)絡(luò)-6-6共一百六十四頁二、PLL典型(dinxng)部件（2

32、）有源積分(jfn)濾波器Ri-+R1C1C2baVc(t)共一百六十四頁（2）有源積分(jfn)濾波器其中(qzhng)共一百六十四頁（2）有源積分(jfn)濾波器20lg|F(p)FL(p)|-6-6共一百六十四頁三、一階鎖相環(huán)三、一階鎖相環(huán)KfN環(huán)路濾波器中沒有(mi yu)電容。 前者稱為(chn wi)PLL的前向傳遞函數(shù)，后者稱為(chn wi)誤差傳遞函數(shù)。共一百六十四頁三、一階鎖相環(huán)上兩式中的K稱為環(huán)路增益(zngy)（或環(huán)路帶寬）+6K-6K共一百六十四頁三、一階鎖相環(huán)一階環(huán)特點(diǎn)(tdin)：（1）對(duì)噪聲抑制(yzh)性能不好， 無論是H(p)，還是 He(p)的帶外衰減特性

33、都僅 -6dB/倍頻程。（2）相差不固定，鎖定后輸入輸出信號(hào)相差因控制電壓要求不同（對(duì)于不同的輸出頻率）而不同。（3）鎖定（捕捉）范圍小。現(xiàn)在僅應(yīng)用于少數(shù)特殊場(chǎng)合！共一百六十四頁四、二階鎖相環(huán)四、二階鎖相環(huán) 采用有源一階積分（理想）濾波器（直流增益(zngy)無窮大）的PLL即稱為高增益(zngy)PLL，反之稱為低增益(zngy)PLL?，F(xiàn)在一般都采用高增益(zngy)PLL.將該濾波器傳遞函數(shù)代入PLL傳遞函數(shù)可得共一百六十四頁四、二階鎖相環(huán)進(jìn)而(jn r)可推得：共一百六十四頁四、二階鎖相環(huán)其中(qzhng)（阻尼(zn)系數(shù)）環(huán)路自然諧振頻率，單位：弧度/秒環(huán)路帶寬，單位：弧度/秒共一

34、百六十四頁四、二階鎖相環(huán)-120-120欠阻尼過阻尼一般取臨界阻尼共一百六十四頁四、二階鎖相環(huán)二階環(huán)特點(diǎn)(tdin)：（2）對(duì)噪聲(zoshng)抑制性能比一階環(huán)好。（3）相差固定（對(duì)高增益二階環(huán)），鎖定后輸入輸出信號(hào)相差不會(huì)因控制電壓要求不同（對(duì)于不同的輸出頻率）而不同。（1）環(huán)路最穩(wěn)定可靠。為多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合所采用！共一百六十四頁五、環(huán)路參數(shù)(cnsh)的選取五、環(huán)路參數(shù)(cnsh)的選取 環(huán)路參數(shù)（帶寬、阻尼系數(shù)）的選取沒有唯一的定規(guī)，必須根據(jù)實(shí)際的要求靈活的確定。1.要求對(duì)輸入信號(hào)良好的跟蹤環(huán)路帶寬（盡可能）越寬越好！2.希望輸出信號(hào)相噪盡可能低 （1）若輸入?yún)⒖夹盘?hào)相噪好，則帶寬越寬越好

35、。共一百六十四頁五、環(huán)路(hun l)參數(shù)（帶寬）的選取 3.環(huán)路(hun l)中除VCO外其它部分的噪聲都是低通型（H(p)起作用）的，因此應(yīng)將分頻器、鑒相器等的噪聲列入輸入?yún)⒖枷嘣爰右苑治龊陀?jì)算。 （2）若輸入?yún)⒖夹盘?hào)相噪差，則帶寬越窄越好。 （3）一般情況，應(yīng)該折中選取環(huán)路帶寬。共一百六十四頁五、環(huán)路參數(shù)(cnsh)（帶寬）的選取(最大不宜(by)超過10%)6.PLL有一個(gè)固有的雜散-鑒相紋波減小鑒相紋波的措施：4.要PLL輸出信號(hào)的頻率轉(zhuǎn)換快（N改變）5.環(huán)路帶寬受鑒相頻率的影響，一般有則n越大越好，且通常1 (0.7)（1）K（2）增加環(huán)路邊帶濾波C2，甚至R2、C3共一百六十四頁

36、五、環(huán)路參數(shù)（帶寬(di kun)）的選?。?） 一階環(huán)鎖定(su dn)范圍小鎖相環(huán)特性小結(jié)（2）二階環(huán)最穩(wěn)定，性能也好， 故實(shí)際中大多采用近似（準(zhǔn)）二階環(huán)（三階以上轉(zhuǎn)折點(diǎn)較遠(yuǎn)）（3）三階以上環(huán)路不易穩(wěn)定，但邊帶濾波效果好些共一百六十四頁六、環(huán)路參數(shù)(cnsh)的計(jì)算六、環(huán)路參數(shù)(cnsh)的計(jì)算充電泵放電泵vrvo 環(huán)路參數(shù)的計(jì)算公式與采用的濾波器形式相關(guān)、最佳方式是采用以下方案。脈沖鑒相器（雙D鑒相器）+電流泵+Z網(wǎng)絡(luò)電壓/電流轉(zhuǎn)換共一百六十四頁六、環(huán)路參數(shù)(cnsh)的計(jì)算Iv0vr高速電流(dinli)泵電路電路將超前鑒相輸出脈沖vr 轉(zhuǎn)化為充電電流。電路將滯后鑒相輸出脈沖vo 轉(zhuǎn)化

37、為放電電流。共一百六十四頁六、環(huán)路參數(shù)(cnsh)的計(jì)算R1C1C2C3R2VcZ網(wǎng)絡(luò)(wnglu) 采用此種聯(lián)接時(shí)，通常要求： 故，在進(jìn)行環(huán)路參數(shù)分析計(jì)算時(shí)可不考慮R2,C3共一百六十四頁六、環(huán)路(hun l)參數(shù)的計(jì)算其中（參見(cnjin)前面分析）：共一百六十四頁六、環(huán)路參數(shù)(cnsh)的計(jì)算再有：共一百六十四頁六、環(huán)路參數(shù)(cnsh)的計(jì)算共一百六十四頁六、環(huán)路參數(shù)(cnsh)的計(jì)算步驟(bzhu)：1、根據(jù)要求與相噪分析結(jié)果設(shè)定環(huán)路參數(shù)2、測(cè)量壓控靈敏度KVCO，及鑒相增益K3、根據(jù)前述公式求取Z網(wǎng)元件絡(luò)參數(shù)值。共一百六十四頁六、環(huán)路(hun l)參數(shù)的計(jì)算（2）相位(xingwi

38、)捕捉時(shí)間Tcp頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間的考慮（以高增益二階環(huán)為例）PLL的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間由兩部分組成（1）頻率捕捉時(shí)間Tcf，取決于轉(zhuǎn)換初始頻差共一百六十四頁六、環(huán)路(hun l)參數(shù)的計(jì)算總轉(zhuǎn)換(zhunhun)時(shí)間 按上述公式計(jì)算太復(fù)雜，工程上大致有如下估算： 由上可知，要得到較快的鎖定時(shí)間，就需要足夠大的環(huán)路自然諧振頻率！共一百六十四頁六、環(huán)路參數(shù)(cnsh)的計(jì)算計(jì)算(j sun)步驟2.測(cè)量3.根據(jù)上頁關(guān)系有1.根據(jù)要求設(shè)定共一百六十四頁六、環(huán)路參數(shù)(cnsh)的計(jì)算共一百六十四頁思考題七 試根據(jù)本節(jié)給出的傳遞函數(shù)，推導(dǎo)出不用電流泵與Z網(wǎng)絡(luò)，而采用理想積分(jfn)（運(yùn)放）濾波器時(shí)的環(huán)路參數(shù)的計(jì)

39、算公式。共一百六十四頁3.3 頻率合成(hchng)技術(shù)1.直接(zhji)合成 所謂“頻率合成”，就是指：由較少的基準(zhǔn)頻率源信號(hào)（通常為晶振）合成輸出較多的頻率點(diǎn)的信號(hào)。分為四類：2.間接合成3.DDS4.混合型共一百六十四頁3.3 頻率合成(hchng)技術(shù)1.直接(zhji)合成-DS 由基準(zhǔn)源信號(hào)通過分頻、倍頻、混頻而得到。 特點(diǎn)：近端相噪指標(biāo)好，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間最短。但遠(yuǎn)端相噪不好（雜散較多） ，頻率步進(jìn)不易做小，且需大量的濾波器，電路復(fù)雜，體積較大，成本高。 現(xiàn)在一般情況已較少單獨(dú)采用。本課不做介紹。共一百六十四頁3.3 頻率(pnl)合成技術(shù)2.間接合成 主要利用PLL及其組合(zh

40、)而得到所需頻率范圍。 特點(diǎn)：近端相噪較難控制，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間長(zhǎng)（最慢）；但信號(hào)相位鎖定，頻率分辨率高于DS方式，電路相對(duì)簡(jiǎn)單，成本低，較易實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)已得到最廣泛的應(yīng)用！共一百六十四頁3.3 頻率合成(hchng)技術(shù)3.DDS-直接數(shù)字頻率合成(hchng) 利用ROM+DAC轉(zhuǎn)換器得到所需信號(hào)。 因?yàn)楣δ芟喈?dāng)于分頻器，故其輸出頻率不高（小于40%參考頻率）。隨著IC電路技術(shù)的進(jìn)步現(xiàn)在DDS的輸出頻率愈來愈高，應(yīng)用前景看好。 特點(diǎn)：輸出頻率范圍低（?。?，雜散較多，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短，頻率間隔細(xì)（步進(jìn)最?。?，相當(dāng)于一個(gè)小數(shù)分頻器。共一百六十四頁3.3 頻率(pnl)合成技術(shù)4.混合型前面三種技術(shù)(js

41、h)的混合應(yīng)用。 是目前電子系統(tǒng)中本振信號(hào)產(chǎn)生較為常用的方式，良好的系統(tǒng)設(shè)計(jì)可兼得優(yōu)點(diǎn)而克服缺點(diǎn)！在設(shè)計(jì)頻率合成器時(shí),必須要牢記:產(chǎn)生所需要的頻率成分相對(duì)容易而抑制不需要的頻率成分很難！共一百六十四頁設(shè)計(jì)(shj)考慮及步驟1、頻率(pnl)范圍2、頻率步進(jìn)（分辨率）3、頻譜純度（1）相位噪聲（2）相位雜散4、變頻時(shí)間5、其它輸出電平、平坦度、隔離度、功耗等共一百六十四頁3.3.1 頻率(pnl)合成器的主要技術(shù)指標(biāo)（以某型號(hào)(xngho)電臺(tái)頻合器要求為例）1.輸出頻率范圍 92.1120.4999 MHz2.頻率步進(jìn) 100Hz3.頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間 4ms4.頻譜純度1）單邊帶相噪 L(1KH

42、z)(dB) -70dBc/Hz L(100KHz)(dB) -130dBc/Hz共一百六十四頁3.3.1 頻率(pnl)合成器的主要技術(shù)指標(biāo)2）雜散5.射頻接口阻抗(zkng)：50 控制接口：TTL電平6.輸出電平 1）幅值 0dBm (RL=50) 2）平坦度 1dB共一百六十四頁3.3.1 頻率(pnl)合成器的主要技術(shù)指標(biāo)9.溫度(wnd)范圍 -40+5511.成本10.可靠性7.功耗 1.3W8.體積 240 7520 mm3共一百六十四頁3.3.2 方案設(shè)計(jì)PDVCXOR1MixN12VCO3PDR2N2PDVCO1N1IIIIIIvo66.6131KHz160240MHz80

43、KHz20002999vR 10MHz10MHz諧波混頻+-919120292.1120.499KHz40MHz+R1=100100+KHz一、多環(huán)式共一百六十四頁3.3.2 方案設(shè)計(jì)1.頻率(pnl)轉(zhuǎn)換時(shí)間的考慮做工程(gngchng)估算：2.各環(huán)鑒相頻率的考慮以惡劣的情況考慮共一百六十四頁3.3.2 方案設(shè)計(jì) 再考慮到三環(huán)聯(lián)動(dòng)，必須都鎖定，因此設(shè)計(jì)(shj)時(shí)要求為求環(huán)路(hun l)穩(wěn)定可靠，要求鑒相頻率vr共一百六十四頁3.3.2 方案設(shè)計(jì)取3.頻率(pnl)步進(jìn)設(shè)計(jì)（1）輸出(shch)頻率vo共一百六十四頁3.3.2 方案設(shè)計(jì)即100Hz步進(jìn)由PLL II完成(wn chng)

44、 小環(huán)100KHz步進(jìn)由PLL I完成(wn chng) 大環(huán)PLL III 稱轉(zhuǎn)移環(huán)（2）鑒相頻率PLL II vR3=80KHzPLL III 取N2=20002999 1000個(gè)100Hz vR2=60106/919 240106/120266.6131KHz共一百六十四頁3.3.2 方案設(shè)計(jì)4.實(shí)際結(jié)果(ji gu) 3個(gè)PLL環(huán)路帶寬均取2KHz，=0.7。實(shí)測(cè)輸出PLL I vR1=40+/400 100+KHz 均滿足要求。共一百六十四頁雜散點(diǎn)評(píng)(din pn)PDVCXOR1MixN12VCO3PDR2N2PDVCO1N1IIIIIIvo66.6131KHz160240MHz8

45、0KHz20002999vR 10MHz10MHz諧波混頻+-919120292.1120.499KHz40MHz+R1=100100+KHz共一百六十四頁3.3.2 方案設(shè)計(jì)頻率(pnl)轉(zhuǎn)換時(shí)間上述(shngsh)設(shè)計(jì)還是有些復(fù)雜!其它指標(biāo)也滿足要求。環(huán)路濾波器引入3階、4階邊帶濾波后達(dá)到共一百六十四頁二、改進(jìn)(gijn)式 (DDS+PLL)ROMDAC控制邏輯時(shí)鐘fclkDDS輸出foDDS芯片(xn pin)示意圖二、改進(jìn)式 (DDS+PLL)1.DDS基本原理共一百六十四頁二、改進(jìn)(gijn)式 (DDS+PLL) 就時(shí)鐘(shzhng)源與輸出信號(hào)之間的關(guān)系而言，DDS器件可以視作一小數(shù)分頻器。N.F時(shí)鐘fclk輸出fo ROM里面存儲(chǔ)的是一個(gè)周期正弦信號(hào)的采