高频电子线路第7章

高频电子线路清华大学出版社2012.6本课程主要分析高频电波信号的产生、放大和接收的电路，因此称为“高频电子线路”。广义的“高频”指的是射频(RadioFrequency，RF)，它是指适合无线电发射和传播的频率，其频率范围非常宽。只要电路尺寸比工作波长小得多，可用集总参数来分析实现。当电路尺寸大于工作波长或相当时，应采用分布参数的方法来分析实现。本课程的第1～7章讨论可用集中参数描述的高频电路，而分布参数分析法在第8章介绍。本课程学习哪些内容？第1章系统基础知识第2章小信号选频放大电路第3章高频功率放大电路第4章正弦波振荡电路第5章振幅调制、解调与混频电路第6章角度调制与解调电路第7章反馈控制电路第8章高频电路的分布参数分析第9章高频电路的集成与EDA技术简介无线电报的发明开始了无线电通信的时代，并逐步涉及陆地、海洋、航空、航天等固定和移动无线通信领域，从1920年的无线电广播、1930年的电视传输，直到1980年的移动电话和1990年的全球定位系统及当今的移动通信和无线局域网，无线通信市场还在飞速发展，移动通信手机、有线电视调制解调器以及射频标签的电信产品迅速地渗入我们的生活，变成大众不可缺少的工具。高频电子线路的发展推动了无线通信技术的发展，是当代无线通信的基础，是无线通信设备的重要组成部分。学习本课程有何意义？第7章反馈控制电路在高频通信系统中，有哪些反馈控制电路？它们起何作用？锁相环电路有哪些用途？反馈控制电路目的及分类目的：使电路工作稳定、性能完善，需要各种反馈控制电路。根据被控制目的的不同，反馈控制电路可以分成：控制输出信号幅度电平的自动增益控制(AutomaticGainControl，AGC)电路，也称自动电平控制电路(ALC)；控制工作频率并使其稳定的自动频率控制(AutomaticFrequencyControl，AFC)电路；控制和锁定相位的自动相位控制(AutomaticPhaseControl，APC)电路，也称锁相环(PhaseLockedLoop，PLL)电路。7.1自动增益控制电路自动增益控制(AGC)电路的作用：在输入信号的幅度变化很大的情况下，通过对前端可控增益放大电路增益的控制，以使输出信号的幅度电平基本恒定或在规定的较小范围内变化。7.1.1自动增益控制电路的作用1、AGC电路原理AGC电路原理图2、AGC电路的性能指标(1)动态范围。给定输出信号的变化范围，容许输入信号变化的范围称为动态范围。显然AGC电路的动态范围越大，性能越好。(2)响应时间。AGC电路的控制响应跟随输入信号变化的速度，根据响应时间的长短，分为慢速AGC和快速AGC。由于AGC电路是一个反馈控制系统，环路带宽越宽，响应时间越短，反之则越长。响应时间短可以很好地跟随输入信号的变化，但易引起反调制，如对调幅信号，过短的AGC响应时间会抵消调幅效果。7.1.2自动增益控制电路的类型1、简单AGC电路(1)在简单AGC电路中，参考信号ur=0。这时，只要输入信号增大，AGC电路就会使可控增益放大器的增益减小，反之，则会使可控增益放大器的增益增加简单AGC电路特性曲线含有简单AGC电路的电视视频信号接收机原理框图2．延迟AGC电路延迟AGC电路特性曲线7.2自动频率控制电路自动频率控制(AFC)电路，用于自动调节振荡器的频率，以减少频率变化，提高系统的频率稳定度。7.2.1自动频率控制电路工作原理自动频率控制电路组成7.2.2应用举例1、用于接收机中频频率稳定具有AFC的调幅接收机电路框图具有AFC的调频接收机电路框图2、用于改善调频接收机的解调质量调频负反馈解调器电路框图3．用于稳定调频发射机的中心频率具有自动频率控制电路的调频发射机框图7.3锁相环路锁相环路(PLL)是一个闭环的自动相位控制系统。系统将参考信号的相位与输出信号的相位进行比较，产生的相位误差电压去调整输出信号的相位，以达到消除频率误差、与参考信号同频率的目的。分为模拟锁相环和数字锁相环。模拟锁相环的鉴相器输出信号相位与参考信号的相位进行比较，其输出的误差信号是连续的，从而对环路输出信号的相位调节是连续的，数字锁相环则与上述相反。7.3.1锁相环路的基本组成鉴相器环路滤波器ud(t)uc(t)输出信号uo(t)参考信号ur(t)压控振荡器基本的锁相环路主要由：鉴相器(PD)、环路滤波器(LoopFilter，LF)以及压控振荡器(VCO)三部分组成1．鉴相器d10()()()tttdd()[()]utft乘法器的相乘系数为Km，输入信号ur(t)，锁相环输出信号uo(t)分别为rrmrroom0r0()sin[()]()sin[()]utUttutUttrrm0rr0rrrm0rrrm0r1()sin[()()]sin[()]sin[()]utUtttUtttUtt-1r0rrr()ttttt是参考信号以输出uo(t)的频率作参考的初相位；为参考信号角频率与压控振荡器固有频率的之差，称为固有频差r0r()乘法器输出为mromrm0r1om0r0mrmom0r10mrmom10()()sin[()]sin[()]1sin[2()()]21sin[()()]2KututKUttUttKUUtttKUUtt经低通滤波后，得到鉴相特性dmrmom10mrmomddd1()sin[()()]21sin[()]2sin[()]utKUUttKUUtUtd10()[()()]tttdmrmom12UKUUd|()|/6tddd()()utUt线性近似后的误差不超过5%图7.12鉴相器输出曲线2．环路滤波器环路滤波器具有低通特性，用来滤除鉴相器输出ud(t)的高频等无用的组合频率分量和其他干扰及噪声成分，得到压控振荡器的控制信号uc(t)，以保证环路达到所要求的性能，并且提高环路的稳定性1)简单RC积分滤波器cd()1/1()()1/1UssCFsUsRsCsRC2)无源比例积分滤波器ud(t)R1R2uc(t)c21d1212()1/1()()1/1()UsRsCsFsUsRRsCs11RC22RC3)有源比例积分滤波器22d11c()1/1()()UsRsCsFsUsRs22d11c()1/1()()UsRsCsFsUsRs11RC22RC一般环路滤波器表示框图uc(t)ud(t)F(p)uc(t)ud(t)F(p)cd()()()utFput正弦鉴相器有cdd()()sin[()]utFpUt3．压控振荡器压控振荡器(VCO)是一种电压频率变换器。其数学特性可用控制输入电压与输出瞬时频率之间的关系表示。在一般情况下，这种关系是非线性的uc(t)ω0rω0(t)00rcc()()tKutKc为压控振荡器角频率-电压特性曲线的斜率，单位为rad/s·V瞬时相位瞬时频率0rc0c00()d()dtttKu0rc0c00()d()dtttKu0cc0()()dttKuc0c()()Ktutpθ0(t)uc(t)Kc/p4．锁相环的相位模型和数学方程c0d10()sin[()()]()KtUttFppd10()()()ttt01d()()()ptptptddd1()()sin[()]()ptKFptptddcKUKdr0()()pttr1d()()dtptt1r0r()pt固有频差瞬时频差dd()sin[()]KFpt控制频差瞬时频差+控制频差=固有频差当瞬时频差等于零时，称为锁相环路锁定dlim[()]0tptddlim[()]()tt∞锁相环路锁定时，环路相差是一个常数。这个常数值为dd()arcsin(j0)KF∞Δw是固有频差；F(j0)是环路滤波器在频率为0时的值d|()|/6tddsin[()]()tt1ddd()()()()ssssKFss1()s1()t是的拉普拉斯变换d()sd()t是的拉普拉斯变换F(s)是F(p)的拉普拉斯变换0d1dde1d()()()()()()()()()sKHsHsssKHsssHsssKHs0()s0()t是的拉普拉斯变换7.3.3锁相环路的捕捉与跟踪1．锁相环路的捕捉A、锁相环路开始时一般是失锁的，即瞬时频差不为零压控振荡器的输出信号频率将逐步接近参考输入信号频率，当两个频率靠近到一定程度后，锁相环路就将进入了锁定状态，而这一过程则称为锁相环路的捕获过程。B、快捕：开始时uc(t)=0，固定角频差Δw下，随着时间增长固有频差信号的相位Δwt将不断增长，正弦鉴相器的输出将是一个周期为2π/Δw的正弦差拍电压，即该正弦信号的角频率是两个角频率的差值。当Δw较小且在环路滤波器的通带内，则差拍控制电压ud(t)能够顺利通过环路滤波器去控制压控振荡器，使压控振荡器的振荡频率随差拍控制电压ud(t)变化而变化，压控振荡器的输出频率将很容易变化到参考输入角频率wr，进入锁定状态，鉴相器输出一个稳态反映相位差的直流电压，以维持环路的动态平衡，C、频率牵引过程：当Δw较大且处于环路滤波器的通带边界外附近时，正弦差拍电压经过环路滤波器后会受到衰减，使压控振荡器的输出信号频率变化范围较理想情况减小，输出信号频率达不到参考输入信号频率。这时锁相环的差拍电压将成为一个不对称信号，这种不对称，使差拍电压的均值非零，且趋于变化慢的一边，从而使压控振荡器输出信号的平均频率接近参考输入信号频率，而为使压控振荡器的输出信号频率变化达到参考输入信号的角频率wr，需要多个差拍信号周期，以逐步减小压控振荡器的输出信号频率与参考输入信号的角频率wr的频差。当频差减小到一定程度，使频差进入环路滤波器带宽内时，将进入前述快捕过程。2．锁相环路的跟踪跟踪过程：实际的锁相环路在锁定状态下，其稳态相差一般是很小的。环路锁定后，若参考输入信号的频率和相位在一定范围内发生变化，则锁相环路将在鉴相器、环路滤波器的作用下产生控制信号去控制压控振荡器的输出频率和相位跟随输入的变化，这一过程称为跟踪过程。同步带：在这一跟踪过程中，能够维持这种跟踪锁定状态的允许最大参考输入信号与环路压控振荡器自由振荡频率(uc(t)=0)的最大频差称为同步带、跟踪带或锁定范围、同步范围。一般锁相环路的捕捉带不同于跟踪带，且跟踪带一般大于捕捉带。7.4集成锁相环与应用锁相环可以有很多应用包括：锁相环倍频、分频及混频，锁相环调频与鉴频电路，锁相接收机，锁相同步检测。7.4.1集成锁相环集成锁相环按其内部结构分为两大类。(1)模拟锁相环，主要由模拟电路组成。(2)数字锁相环，主要由数字电路组成。集成锁相环按用途分为通用型和专用型两大类。(1)通用型锁相环适用于各种用途，内部主要包括鉴相器和压控振荡器，有些还包括放大器及其他辅助电路。(2)专用型锁相环是专门为某特定功能设计的锁相环1．CMOS集成锁相环路CD40467.4.1集成锁相环CD4046内含两个鉴相器(PD1、PD2)、一个压控振荡器(VCO)和缓冲放大器(A2)、内部稳压器及输入信号放大整形电路(A1)。⑭脚为信号输入端，可输入方波或1V左右的小信号，经过A1放大整形，以满足鉴相器所要求的方波信号。最高工作频率1MHz2．通用单片集成锁相环路L5627.4.1集成锁相环L562是一个工作频率可达30MHz的单片模拟集成锁相环芯片。内部包括鉴相器PD、压控振荡器、放大器A1～A3和限幅器。7.4.2锁相环的应用1．在频率合成器中的应用1)单环频率合成器200