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模拟对讲机单元电路模块化——锁相环路部分前言锁相环路部分是整个模拟对讲机的心脏部分，它主要包括三个子电路单元，即，压控振荡器(VCO)、环路滤波器(LF)和频率合成器(FS)。锁相环路的性能指标主要有相位噪声、锁定时间等，锁相环路的各项性能指标对接收机和发射机的性能指标都有较大影响，所以设计时要充分考虑可能存在的影响锁相环路性能指标的各项因素。以下就各个单元电路的设计和应用做一简要说明。1、压控振荡器(VoltageControlledOscillator)压控振荡器是产生射频信号的电路单元，它是利用正反馈原理产生振荡的，当控制电压改变时其振荡频率也随之改变。压控振荡器对发射机而言是提供射频信号源，对接收机而言是提供用于混频的本振信号。压控振荡器分别工作在UHF频段和VHF频段时有不同的电路形式，以下分别加以说明。1.1UHF频段压控振荡器UHF频段的压控振荡器的振荡管可以采用共射（或共源）配置，也可以采用共基（或共栅）配置，不同的形式可以应用于不同的场合，以下分别对两种形式的电路加以说明。1.1.1共射配置的压控振荡器电路形式如图1-1所示：L44BEAD12C121470p+5VRFoutQ82SC4226R53150kQ92SC4226C11318pL4015nHC112470pR4910kL413.3uHL4222nHL433.3uHC12010pC111470pC1220.01uC1100.1uC109470pC108470pC1070.01uC1060.5pD141SV283R508.2kC11415pC1178pC11612pV_TuneC1155pD151SV283R51220+5VR48100C11910pC1186pR52100图1-1共射配置的压控振荡器的电路形式ADS仿真条件设置和仿真结果：a.ADS仿真条件设置b.相位噪声、谐波和振荡范围的仿真结果图1-2共射配置的压控振荡器ADS仿真条件设置和仿真结果设计说明根据模拟电子线路教材的分析，共射配置的放大器具有较大的功率放大倍数，因而该形式的振荡器也具有较高的输出电平，可以应用在需要较大输出功率的场合，比如发射机的振荡器；图1-1中，由Q8及其外围电路组成的正反馈放大电路是振荡电路，由Q9组成的放大电路是缓冲放大电路，它既提供一定的功率放大倍数，又在振荡电路与后级负载之间起缓冲、隔离的作用；UHF频段的VCO为了获得较宽的振荡范围，其振荡回路采用带阻加低通的形式，其中，L40与C114、C117、C120、D14和D15的等效电容形成具有带阻特性的串联谐振回路，C113、C115和C116的等效电容形成具有低通特性的到地电容；L43为D15提供到地的直流零电位，C106采用低值的电容是为了提高与后级的隔离度，C119的加入是为了提高对谐波的抑制能力；另外，由于振荡管本身的噪声会影响振荡器的相噪指标，所以振荡管应选用低噪声系数的管子。定性调试说明1.反馈系数的调整C115与C116的比值即是反馈系数，由于过高的增益和反馈系数会导致VCO的间歇振荡，而共射电路有较高的功率增益，所以反馈系数不能太大，一般可以选在1/2左右2.压控灵敏度的调整C114的大小决定了变容管的接入系数，从而也能改变压控灵敏度，另外，变容管本身的特性曲线也会影响压控灵敏度；过高的压控灵敏度会引入较高的相位噪声，所以压控灵敏度也不宜过高，一般在10—20MHz/V之间3.谐波抑制比的调整放大器非线性失真越大其谐波的能量就越大，所以振荡管的工作点不能设置得太高，一般应比器件手册推荐的工作点略低；另外，C119到地的连接也形成低通特性，增大C119的容值也能使谐波衰减变大电性能指标范围说明1.振荡幅度-15——-5dBm2.相位噪声≤-105dBc/Hz@10kHz3.压控灵敏度≤20MHz/V4.谐波抑制≤-15dBc1.1.2共基配置的压控振荡器电路形式如图1-3所示：+5V+5VC108470pQ82SC4226C11715pL433.3uHC11910pC1070.01uR4910kR5151R52100C1220.01uL4018nHC112470pQ92SC4226C1100.1uR508.2kC1168pD141SV283C11810pR53150kC11312pC111470pC1060.5pC11412pC121470pL44BEAD12C109470pD151SV283V_TuneC1155pL4222nHC12010pL413.3uHR48300RFout图1-3共基配置的压控振荡器的电路形式ADS仿真条件设置和仿真结果：a.ADS仿真条件设置b.相位噪声、谐波和振荡范围仿真结果图1-4共基配置的压控振荡器ADS仿真条件设置和仿真结果设计说明根据模拟电子线路教材的分析，共基配置的放大器虽然功率增益较小，但其高频性能和稳定性都优于共射放大器；共基配置的压控振荡器除振荡管的连接与共射电路不同外，其余部分大致相同，详细的设计说明请参见上一节。定性调试说明1.反馈系数的调整C115与C116的比值即是反馈系数，由于共基放大电路的功率增益较低，所以反馈系数应该比共射电路大，一般可以选在1/2—1之间2.压控灵敏度和谐波抑制比的调整与共射振荡器相同，此处不再赘述电性能指标范围说明1.振荡幅度-20——-5dBm2.相位噪声≤-105dBc/Hz@10kHz3.压控灵敏度≤20MHz/V4.谐波抑制≤-15dBc1.2VHF频段压控振荡器采用电容反馈的共基振荡器工作在VHF频段时，很难在一个较宽的频带内同时满足相位平衡条件，而采用电感反馈时会产生较大的相位噪声，所以VHF频段的振荡器通常都采用电容反馈的共射（或共源）振荡器；另外，由于VHF频段频率较低，采用带阻加低通的振荡回路需要较大的电感，而大电感的寄生参数对振荡器性能指标的影响会比较大，所以VHF频段的振荡回路通常采用并联谐振回路。电路形式如图1-5所示：C1070.01uRFoutR48100R52100+5VL436.8uHC11947pC1081000pL4039nHL44BEAD12D141SV282R51220V_TuneC1121000pR506.8kC1060.5pL416.8uHQ82SC4226C11833pD151SV282C1111000pC1220.01uC1100.1uC12010pC11347p+5VL4282nHC1211000pC11622pR53150kC1091000pC114100pR4910kC1157pQ92SC4226图1-5VHF频段压控振荡器的电路形式ADS仿真条件设置和仿真结果：a.ADS仿真条件设置b.相位噪声、谐波和振荡范围仿真结果图1-6VHF频段压控振荡器ADS仿真条件设置和仿真结果设计说明VHF频段压控振荡器除了谐振回路采用并联谐振外，其余与UHF频段共射振荡器设计思路相同，详细说明请参见上一节，这里不再赘述。定性调试说明定性调试说明与UHF频段共射振荡器相同，请参见上一节。电性能指标范围说明1.振荡幅度-15——-5dBm2.相位噪声≤-110dBc/Hz@10kHz3.压控灵敏度≤20MHz/V4.谐波抑制≤-10dBc2、环路滤波器(LoopFilter)环路滤波器是锁相环路的一个重要组成部分，主要用来滤除分频器和鉴相器输出的交流噪声，环路滤波器的性能指标极大地影响着整个环路的性能，所以设计时要考虑全面。环路滤波器的性能指标主要有环路带宽、频率响应和时间常数等。环路滤波器有无源和有源两种形式，由于无源滤波器形式简单、调试方便，所以应用较为广泛。以下就无源滤波器的设计方法做一简要介绍。电路形式如图2-1所示：R551.8kR541kDCOutputC1241uC1250.33uC1230.1uACInput图2-1三阶无源环路滤波器的电路形式ADS仿真条件设置和仿真结果：a、ADS仿真条件设置b、环路带宽和频率响应的仿真结果c、恒流源输出的时间常数的仿真结果d、恒压源输出的时间常数的仿真结果图2-2三阶无源环路滤波器ADS仿真条件设置和仿真结果设计说明：由于模拟对讲机是窄带调频终端设备，所以相邻信道的频率间隔较小，这就决定了锁相环路的鉴相频率较低，相应的环路滤波器的带宽也较窄。模拟对讲机常用的鉴相频率有5kHz、6.25kHz和12.5kHz几种；对于更高的鉴相频率，环路滤波器的带宽应该要小于鉴相频率，但是，环路带宽太窄，时间常数势必变大，锁定时间也会随之变长，而且滤波器过渡带的相位变化过快会导致环路工作不稳定；所以，我们通常把环路带宽设置在7-10kHz之间，这样，环路带宽就略大于鉴相频率，这时应该把滤波器的插损设置的大一点，以增加对鉴相频率的衰减。图2-1所示电路是一个三阶无源滤波器，其中，C123与R55并联是为了改善相频特性，增大相位容限，从而提高环路的稳定性。定性调试说明1、环路带宽的调整图2-1所示电路中，C123和C125对环路带宽的影响最大，电容增大，带宽变窄，电容减小，带宽变宽。2、带内插损的调整图2-1所示电路中，R54对带内插损影响最大，电阻值增大，插损变大，电阻值减小，插损减小。3、带内波动的调整图2-1所示电路中，R55和C124对带内波动的影响较大，增大电阻，带内波动减小，但是电阻和电容同时也会影响环路带宽和插损，所以要结合起来调整。电性能指标范围说明：1、环路带宽7~12.5kHz2、相位容限30~60°(180°+phase(S(2,1)))@62.5kHz3、带内插损-18~-25dB4、带内波动≤0.5dB5、带外抑制≥20dB@10*3dBbandwidthfrequency3、频率合成器(FrequencySynthesizer)频率合成器主要用来将VCO输出的射频信号与参考信号之间的相位差转换为一个误差电压，这个误差电压又反过来作用于VCO，从而使环路锁定的时候无频差；频率合成器主要包括分频器、相位比较器和充电泵三部分功能单元，现在常用的频率合成器都是集成在一个IC上的，所以下面仅对其应用和选型的注意事项做一简要说明。外围电路连接如图3-1所示：RFInputC1260.01uLER62150kCLKDATAU2ADF411112345678910111213141516RsetCPCPgndAgndRFinbRFinaAVddREFinDgndCECLKDATALEMUXDVddVpC137100pR5610kC1351uL452.2uHC134100p+5VREFInputLDR572.7kC136100pC1330.01uR581kC1320.01uR611kC130100pC131100pR591kToLoop_FilterC129100pR601kC1281000pC1270.01u图3-1频率合成器外围电路连接示意图应用注意事项：1、充电泵供电电压和输出电流的选择充电泵供电电压越高，VCO的锁定电压范围就越大，所以通常Vp≥Vdd；充电泵输出电流越大，环路锁定时间就越快，图3-1所示电路中，R57的阻值大小就决定了充电泵最大输出电流的大小，其中，电阻值越小输出电流就越大。2、数字地和模拟地的分割频率合成器是数模混合电路，为避免相互之间的干扰，最好把数字地和模拟地隔离开来，然后再通过电感或磁珠单点汇接。3、数字信号线的高频滤波C129、C130和C131是用来滤除高频干扰的电容4、电源引脚的退耦电容在靠近电源引脚的地方应放置退耦电容，以便滤除电源上的纹波，退耦电容一般采用0.01uF的电容5、锁定检测脚的处理锁定检测脚有频率较低的鉴相频率的泄漏，所以应采用容值较大的电容进行滤除；另外，为了保证高低电平的可靠，应该增加外部上拉电阻。选型注意事项射频输入频率范围和灵敏度参考输入频率范围和灵敏度充电泵最大输出电流相位噪声性能防静电能力供电电压范围和最大允许输入输出电流4、小结(Conclusion)锁相环路的性能对接收机和发射机的性能都有较大的影