通信电路ch07_1

1笫7章锁相环路7.0反馈控制电路概述7.01AGC7.1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PLL的线性模型与传递函数PLL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7.4AFC7.5集成锁相环介绍PLL电路实例与应用举例PLL基本组成与工作原理PLL的环路方程与相位模型PLL的跟踪特性PLL的频率特性PLL的噪声特性（*）27.0反馈控制系统反馈控制是各种通信系统和电子设备中的重要技术手段。反馈控制系统可看作自动调节系统，通过调节使系统在不同工作条件下实现规定的技术性能指标，或者满足某些特定的要求。例如系统输出信号电平不变，或频率稳定度达到一定要求等。根据需要比较和调节的参量不同，反馈控制电路分为三类：自动增益控制（AGC）自动频率控制（AFC）锁相环路(PLL)3反馈控制系统的组成和工作原理1、反馈控制系统原理框图如下：反馈控制电路的特点自动调节系统。若电路的输入、输出量之间的关系偏离了预定的关系式，比较器将检测并输出相应的误差电压，该电压去控制可控设备对输出量进行调节，最后使输入、输出量之间接近预定的关系－－改善系统性能反馈控制电路是依靠误差进行调节的，一般都存在稳态误差，正是这种稳态误差产生的控制电压保证了输入、输出信号之间接近预定的关系。比较器可控设备反馈环节r(t)e(t)y(t)42、三类反馈控制电路的比较三类反馈控制电路的区别1、AGC自动增益控制反馈控制电路需调节量可控设备比较器稳态误差电压或电流检波器可控增益放大器电压或电流差2、AFC自动频率控制频率鉴频器压控振荡器（VCO）频差3、PLL(PhaseLockedLoop）相位鉴相器压控振荡器（VCO）相差（无频差）思考：与反馈放大器相比有何异同？57.01自动增益控制（AGC）电路AGC框图自动增益控制电路是一种在输入信号幅度变化很大的情况下，使输出信号幅度保持基本恒定或仅在较小范围内变化的一种反馈控制电路。可控增益放大器的增益由控制电压决定，而控制电压由输出电平和基准电平比较产生，AGC通过非线性闭合环路实现。带宽很窄，直流通过6AGC控制特性当输入信号小于门限电平V1时，系统无控制作用输出电压随输入电压线性放大当输入信号超过门限电平V1时，AGC电路起控制作用输出电压随输入电压的增强，仅有极小的变化放大器输出电平几乎是固定的当输入信号很大，超过AGC控制电路工作范围，AGC控制作用消失7AGC控制特性的设计AGC的控制作用，一般在接收机放大级实现，例如对高频放大器的控制，对主中放的第一中放或第二级中放的控制等。放大器的受控级数，通常取决于系统的要求。minmaxoooVVm放大器的总增益控制倍数为：式中为总放大器的最大电压增益，其值一般出现在输入信号为最小值时；为总放大器的最小电压增益，其值一般发生在输入信号为最大时。maxAminAoiooiiioioCmmVVVVVVVVAAGminmaxminmaxmaxmaxminminminmax总放大器输入信号的动态范围总放大器输出电压的容许变化量minmaxiiiVVmdBGdBGnGnCCC11每级的增益控制倍数为放大器受控级数为dBmdBmdBGoiC8举例例某接收机输入信号的动态范围为60dB，输出电压容许变化范围为20%，若单级放大器的增益控制倍数等于20dB，指出应控制放大器的级数解：输出电压容许变化值为：dBVVVVmoooo6.1)2.01lg(20)1lg(20lg20minminmax接收机总增益控制范围为：)(586.160)()()(dBdBmdBmdBGoiC故所需受控级数为：9.22058)()(1dBGdBGnCC即应采用三级控制。9AGC电路实现可采用多种不同形式的可控增益放大器电路采用变跨导晶体管构成的可控增益放大器电路这种放大器，当控制电压使其静态工作点改变时，放大器的增益也随之改变，达到增益可控的目的例如:简单AGC电路（调幅收音机中）改变放大器的负反馈，实现对放大器增益的控制--用于集成电路中例如：差分放大器增益控制电路（电视机芯片）改变放大器的交流负载，实现对放大器增益的控制这种适用于较高工作频率的增益控制电路。例如：电控衰减器增益控制电路（微波电路）10简单AGC电路调幅接收机AGC电路－改变中频放大器工作点，改变增益1R2R3RAGC电压至下级中放至低放4R5R6R1C2C3C4C5C6CDccV电平检测低通滤波11差分放大器增益控制电路（见教材p112)图中CROvCCV1v2vRCRRAR1D2D1T2TCV组成差分放大器，信号从两个晶体管的基极输入，由两个集电极间输出。1T2T增益控制电压经加于两二极、的正极，、构成差分放大器的发射极负反馈电路。AR1D2D1D2D设每只二极管的动态内阻为，IE为流过二极管的电流。dr)()(26mAImVrEd当控制电压使得很小，即时，、的发射极电路彼此独立。产生很大负反馈，使增益下降。EIdr1T2T当时，、发射极连通，两电阻R并联构成发射极电阻。差分放大器正常工作时RE中电流相互抵消，放大器不存在负反馈，放大器增益最大。0dr1T2T差分放大器的增益受控于发射极负反馈电阻RE，改变CV控制电压VC，即可改变发射极等效电阻RE达到控制增益的目的。VC最大时，rd0，增益最大；VC减小，rd增大，增益下降；最终rd，增益最小12电控衰减器增益控制电路PIN管用于可变电阻图中、组成反馈对放大器电路放大后的信号由发射极经二只二极管（PIN管）和电阻、组成的衰减器输出。1T2T2T3R2R控制电压取负值，当越负，二极管正向电流越大，动态电阻越小，故传输系数越大，放大器的总增益越大，反之总增益减小，从而达到对总放大器的增益的控制。CVCVdrvA用二极管构成可变衰减器，应注意极间电容的影响。3C1eR1C1bR2bRcR2C2eR1R2R3R0CEEVCViV1T2ToV（流过电流越大电阻越小）PIN管137.1锁相环路学习“锁相环路”的特别注意点锁相环路是一种相位反馈控制系统，系统中传递的是相位信息。它的传递函数、频率响应等都是指输出和输入信号间相位（而非信号的电压或电流）的传递函数和相位的频率响应锁相环路中控制的是VCO的频率，而比较（调节）的是相位。与其它反馈控制系统一样，环路锁定时一般会存在稳态误差，PLL的稳态误差是输入信号与输出信号的相位误差，称稳态相差，而输入信号与输出信号的频率是相等的。由于锁相环路具有优良的窄带滤波特性，无剩余频差的频率控制特性，以及低门限鉴频特性和易于集成等特殊的性能，广泛用于滤波、频率综合、调制与解调、信号检测等方面的现代电子系统中。147.1.1PLL组成方框图及基本工作原理（1）三个基本部件组成：鉴相器，环路滤波器和压控振荡器（2）基本工作原理：鉴相器比较压控振荡器输出信号与输入信号的相位，并输出正比于相位差的误差电压经环路滤波器滤波（也可能包括放大），滤除高频分量后，成为压控振荡器的控制电压在的作用下，VCO输出信号的频率将不断变化（向输入信号频率靠拢）并将相位反馈到鉴相器。直至环路进入锁定)(tvd)(tvi)(tvo)(tvd)(tvP)(tvP15PLL具有两种工作状态锁相环路具有两种工作状态：捕获与跟踪。(1)捕获状态──环路由失锁进入锁定的过程开始工作时，环路是失锁的。压控振荡器的频率将向着接近输入信号频率的方向变化，这就是捕获状态。－－（捕捉带内）(2)跟踪状态─环路锁定后VCO跟踪输入信号频率与相位的漂移或调制变化的过程。－－（同步带内）163、PLL各部件的特性与数学模型（1）鉴相器（PD）：两个输入端，一个输出端，完成输入信号与压控振荡信号之间的相位差到电压的变换PLL中常用的鉴相器有以下几类：数字鉴相器、模拟相乘器、抽样鉴相器和鉴频鉴相器等作为原理分析，通常使用正弦鉴相特性的模拟相乘器鉴相器)]()([)(ttftvoid式中，为输入信号的瞬时相位；)(ti)(tvi为压控振荡器输出信号的瞬时相位。)(tvo)(to17（1）鉴相器两个输入端信号输入信号vi(t)的中心角频率为i0，i(t)为以i0t为参考相位的瞬时相位如果输入信号为单频正弦波，那么i(t)为常数；如果输入是一个调相波，那么i(t)按调制信号的规律而变化压控振荡器输出信号vo(t)的中心角频率为o0，o(t)为以o0t为参考相位的瞬时相位o0是VCO的自由振荡角频率（未加控制信号vp(t)时的振荡频率）)(sin)](sin[)(0tVttVtviimiiimi)(cos)](cos[)(0tVttVtvoomooomo18（1）鉴相器（PD）统一参考相位为便于比较，统一以VCO的自由振荡相位为参考，输入信号相位改写为：改写输入和输出信号表示式：)()()()(100000tttttttoioioii)()()()(0001tttttiioi)](sin[)](sin[)(10tVttVtviimoimi)](cos[)](cos[)(200ttVttVtvoomooomo19（1）鉴相器正弦鉴相特性输入信号与输出信号经过相乘器后得到：)]()(sin[2)]()(2sin[21)()(21210ttVVKtttVKVtvtKvomimoomimoi再经过低通滤波滤除成分，得到误差电压：02o)]()(sin[21)]()(sin[21)(21ttVKVttVKVtvoiomimomimd令,为鉴相器的最大输出电压，它在一定程度上反映了鉴相器的灵敏度。单位（V）。omimdVKVK21正弦鉴相特性（误差相位的非线性函数）dK201、鉴相器数学模型()(30)6et1、时域相位模型2、若则可用线性化复频域模型21（1）鉴相器（PD）功能若用代表相乘器两输入信号的瞬时相位误差，鉴相范围：鉴相器的功能体现在两方面：一是比较，将两个相位相减；二是鉴相，将相位差转换为误差电压。该电压在环路锁定前不断变化，进行频率搜索，一旦找到输入信号频率，鉴相器输出恒定误差电压，用于保持环路锁定。鉴相器的两个重要指标是鉴相灵敏度（希望高）和线性鉴相范围（希望大）2~2)(te)()()(tttoie则)(sin)(tKtvedd)()(sinttee)()(tKtvdd)30(6)(te鉴相灵敏度单位V/rad正弦鉴相特性dK当则鉴相特性可用线性表示式：22（2）环路滤波器（LF）锁相环路中的滤波器是线性低通滤波器，它主要有两个功能：第一，滤除误差信号中的高频分量；第二，为锁相环路提供一个短期的记忆，如果系统由于瞬时干扰而失锁，可确保锁相环路迅速重新捕获信号环路滤波器由线性元件电阻、电容和运算放大器组成。环路滤波器采用的电路结构不同时，传递函数的阶数不同。锁相环路中，一般采用一阶滤波器电路。有时也采用高阶滤波电路锁相环路中，通常采用三种滤波器电路，说明概念时常用直通电路滤波器的主要指标：带宽、直流增益和高频增益，由滤波器的时间常数和类型决定。例如简单RC滤波器，带宽:1/RC，直流增益：;高频增益：滤波器的这些性能指标对环路性能影响很大()()()pFdvsHsvs设滤波器的传递函数为：1)(,0FA0)(,FAsvdHF(s)svp23（2）环路滤波器（LF）传递函数RC直通电路1)(sHFRC积分滤波器)(11)(RCssHF无源比例积分滤波器理想积分滤波器1)(1)(212SSsHF121)(ss