模拟集成电路系统第8章

1、第八章第八章 反馈控制系统反馈控制系统第一节第一节 概述概述第二节第二节 自动增益控制（自动增益控制（AGC）电路）电路第三节第三节 自动频率控制（自动频率控制（AFC）电路）电路第四节第四节 模拟锁相环路（模拟锁相环路（APLL）第五节第五节 APLL电路及应用电路及应用（一）反馈控制系统的构成（一）反馈控制系统的构成参考参考信号信号Xr(t)比较器比较器控制信号控制信号发生器发生器可控器件可控器件反馈网络反馈网络反馈反馈信号信号Xf(t)误差误差信号信号Xe(t)控制控制信号信号Xc(t)输入输入信号信号Xi(t)输出输出信号信号X0(t)它由它由比较器、控制信号发生器、可控器件比较器、控

2、制信号发生器、可控器件和和反馈网络反馈网络四部分构成。四部分构成。如图：如图：第一节第一节 概述概述（二）反馈控制系统各部分功能（二）反馈控制系统各部分功能比较器比较器将反馈信号将反馈信号Xf(t)与参考信号与参考信号Xr(t)比较后产生误比较后产生误差信号差信号Xe (t)。控制信号发生器控制信号发生器在误差信号在误差信号Xe (t)的作用下产生控制信的作用下产生控制信号号Xc(t)，以对可控器件的某一特性进，以对可控器件的某一特性进行控制。行控制。可控器件可控器件 受控于控制信号受控于控制信号Xc(t),对输出信号对输出信号X0(t)进行进行调节。调节。反馈网络反馈网络从输出信号从输出信号

3、X0(t)中提取所需比较的分量馈送至中提取所需比较的分量馈送至比较器比较器。（三）、反馈控制电路的分类（三）、反馈控制电路的分类据反馈控制的对象分为：据反馈控制的对象分为：自动增益控制（自动增益控制（AGC） 用以稳定输出电压信号的幅度用以稳定输出电压信号的幅度。自动频率控制（自动频率控制（AFC） 用以控制目标信号的频率，使其用以控制目标信号的频率，使其与通道中心频率一致，以获得谐与通道中心频率一致，以获得谐频增益。频增益。 自动相位控制（自动相位控制（APC） 用以同步振荡信号的频率、实现用以同步振荡信号的频率、实现相位跟踪。这种电路亦称锁相环相位跟踪。这种电路亦称锁相环路路(PLL)。据

4、环路内部是模拟电路。据环路内部是模拟电路还是数字电路，进而分为：还是数字电路，进而分为： 模拟锁相环（模拟锁相环（APLL） 数字锁相环（数字锁相环（DPLL）。）。第二节第二节 自动增益控制电路自动增益控制电路电压比较器可控增益放大器控制信号发生器电平检测器低通滤波器直流放大器URueucUoui反馈网络反馈网络一、一、AGC电路的组成框图电路的组成框图根据输入信号的类型、特点及控制要求，主要有两根据输入信号的类型、特点及控制要求，主要有两种类型：种类型：1.简单简单AGC2.延迟延迟AGC二、二、AGC电路的类型电路的类型（一）简单（一）简单AGC电路电路UOUi简单AGC电路的控制特性特

5、点：特点：UR=0。只要输入信号。只要输入信号Ui幅幅度增加，度增加，AGC的的作用就会使增益作用就会使增益A减小。减小。优点：优点：简单，无需比较器。简单，无需比较器。缺点：缺点：不管幅度大小，均降低不管幅度大小，均降低增益。致使增益。致使Ui很弱时，很弱时，Uo很小，很小，接收灵敏度降低接收灵敏度降低.其控制特性如图：其控制特性如图：延迟AGC电路的控制特性UR（二）延迟（二）延迟AGC电路电路基本思想：基本思想： Ui很弱时，很弱时， AGC不起作用；只有不起作用；只有Ui达到某一达到某一门限值门限值UR时，时，AGC才起作用。才起作用。其控制特性如图：其控制特性如图：无无AGC有有AG

6、C1. 用用AGC电压去调节放大器的参量电压去调节放大器的参量2. 在放大级间插入受在放大级间插入受AGC电压控制电压控制的可控衰减器的可控衰减器三、控制增益的方法三、控制增益的方法由小信号谐振放大电路增益表达式：由小信号谐振放大电路增益表达式：Au(j o)=-n1n2gm/GT可知可知，改变改变gm或或GT都将使都将使Au改变。改变。（一）（一）调节放大器调节放大器的参量的参量1.UAGC调节调节gm调节调节Au(j )gmIEMNgm的大小与工作点电流的大小与工作点电流IE有关其关系有关其关系曲线如图：曲线如图：所以用所以用UAGC控制控制IB 调节调节IE 调节调节gm控制电路如图：控

7、制电路如图：uiu0ECUAGCui反向反向AGC正向正向AGC(2)(1)对具有曲线对具有曲线(1) 特性的管子构成的放大特性的管子构成的放大器，若工作点设在器，若工作点设在M点的左侧，则点的左侧，则uiUAGCIE gmAu (称称反反向向AGC)。对具有曲线对具有曲线(2)特性的管子构成的放大特性的管子构成的放大器，若工作点设在器，若工作点设在N点的右侧，则点的右侧，则uiUAGCIE gmAu (称正称正向向AGC)。ABDR1R2R3UAGCECT1T2（一）调节放大器的参量（一）调节放大器的参量2. UAGC调节调节GT调节调节Au(j )控制电路如图：（设管子为反向控制电路如图：

8、（设管子为反向AGC）阻尼二极管阻尼二极管D和和R1、R2、R3用用来调节第一回路的总电导，使来调节第一回路的总电导，使D、R2并联在第一回路。并联在第一回路。Ui较小时较小时 UAGC IC2 UB UA D截止截止 D、R2 支路近似开路，支路近似开路，GT1 Au Ui较大时，较大时， UAGC IC2 UB UA D导通导通 rd+R2并联在并联在第一回路第一回路 GT1 Au 这种电路可有效的防止接收机因强这种电路可有效的防止接收机因强Ui造成的过载及堵塞现象。造成的过载及堵塞现象。( (二二) )电控衰减器增益控制电路电控衰减器增益控制电路 前述方法的缺点前述方法的缺点:UAGC变

9、化变化GT变化IE变化解决方法：解决方法：采用电控衰减器采用电控衰减器AGC电路电路ToLC1变化使B(=GT/CT）、同时， RiRo、 CiCo变化，( (二二) )电控衰减器增益控制电路电控衰减器增益控制电路电路如图电路如图:UiUoUoUi+UAGCRFCRFCRRDD(a)(b)+UAGCRFC的作用：的作用：(1)防止高频信号回串影响防止高频信号回串影响UAGC(2)对直流控制电压对直流控制电压UAGC短路短路原理：原理：利用二极管的变阻特利用二极管的变阻特性与性与R构成分压。构成分压。以以(a)为例为例,UAGCrd Au RrrKdd应该指出：应该指出：衰减系数衰减系数K受下级

10、输入阻抗的限制，当频率较高时受下级输入阻抗的限制，当频率较高时二极管的电容效应会影响二极管的电容效应会影响K，所以一般选取等效电容小的，所以一般选取等效电容小的PIN二二极管。极管。第三节第三节 自动频率控制（自动频率控制（AFC）电路）电路 目的目的稳定振荡频率稳定振荡频率电路组成电路组成频率比较器频率比较器Kd低通滤波器低通滤波器F(S)可控频率器件可控频率器件Ko r r(S)uc(t)Uc(S)Ud(S)ud(t) v v(S)电路组成框图电路组成框图ui(t)一、一、AFC电路工作原理电路工作原理一、一、AFC电路工作原理电路工作原理 频率比较器频率比较器有两种：有两种：(1)鉴频器

11、鉴频器-中心频率中心频率 0起参考信号起参考信号 r的作用。其输出误差电压的作用。其输出误差电压为为ud(t)=kd( 0- v)= kd( r- v)。(2)混频混频鉴频器鉴频器-本振信号本振信号 L与输出信号混频，然后鉴频，参考与输出信号混频，然后鉴频，参考 信号信号 r= o+ L。其输出误差电为。其输出误差电为 ud(t)=kd( r- v)= kd ( 0+ L) - v 低通滤波器低通滤波器-滤除误差信号滤除误差信号ud(t)中的干扰成分，输出控制电压中的干扰成分，输出控制电压 信号信号uc(t)。可控频率器件可控频率器件-一般是一般是VCO,其输出振荡频率为其输出振荡频率为 v=

12、 v0+K0uc(t)。 其中，其中， v0： uc(t)=0时时VCO的振荡频率；的振荡频率； K0 : 控制灵敏度控制灵敏度 。二、主要性能指标二、主要性能指标-暂、稳态响应和跟踪特性暂、稳态响应和跟踪特性 AFC电路的数学模型电路的数学模型(1)频率比较器的数学模型频率比较器的数学模型对对ud(t)= kd( r- v)= kd(r- v ）= kd e(t)取拉氏变换，得到取拉氏变换，得到ud(S)= kd(r(S)- v(S) ）= kd e(S)(2)低通滤波器的数学模型低通滤波器的数学模型(3)可控频率器件的数学模型可控频率器件的数学模型由此可得频率比较器的数学模型由此可得频率比

13、较器的数学模型Kdr(S)v(S) e(S)Ud(S)F(S)Ud(S)Uc(S) K0Uc(S)v(S) K0Uc(S)v(S)Kdr(S)v(S) e(S)ud(S)F(S)所以,AFC电路的数学模型电路的数学模型:显见显见,它是频它是频率反馈系统。率反馈系统。（一）暂态和稳态响应（一）暂态和稳态响应由由AFC电路的电路的数学模型可得：数学模型可得： K0Uc(S)v(S)Kdr(S)v(S) e(S)ud(S)F(S)1.开环传输函数：开环传输函数：0)()()()(KSFKsssGdev2.闭环传输函数：闭环传输函数：)()(1)()(00SSFKKSFKKSrddv所以，输出频率偏移

14、函数为：所以，输出频率偏移函数为：)(1)()(1)()()()(00SFKKSFKKSGSGSSSHddrv对此式取拉式反变换即可得对此式取拉式反变换即可得AFC电路的时域暂态响应、稳态响应。电路的时域暂态响应、稳态响应。（二）跟踪特性（二）跟踪特性 K0Uc(S)v(S)Kdr(S)v(S) e(S)ud(S)F(S)由由AFC数学模数学模型可知，误差型可知，误差函数函数E(S)为为)(11)(1)()(1)()()(0SFKKSHSSSSSEdrvre显见，显见， e(S)越小，跟踪特性越好。越小，跟踪特性越好。例如求例如求 r发生阶跃变化发生阶跃变化 r情况下，情况下，AFC环路的稳态

15、响应环路的稳态响应。SSrr)(频率阶跃的象函数为频率阶跃的象函数为SSESre)()(环路中产生的误差响应为环路中产生的误差响应为据拉式变换的终值定理，可求得稳态频率误差：据拉式变换的终值定理，可求得稳态频率误差：)0(1)(lim)(lim000FKKSESSdrrSeSe其中，其中，F(0)为低通滤波器为低通滤波器 的直流传输函数。的直流传输函数。 e -称为称为AFC环路的剩余频差。环路的剩余频差。 r说明说明AFC有自动调节频差的能力。有自动调节频差的能力。 e KV时，上式无解，即环路不存在锁定的时，上式无解，即环路不存在锁定的 e ,，所以所以能维持锁定所允能维持锁定所允许的最大

16、固有频差许的最大固有频差Vmax=KV，据跟踪带定义有，据跟踪带定义有H= Vmax= KV= KdKoF(0) 五、模拟锁相环路两种调节过程五、模拟锁相环路两种调节过程（二）环路的捕捉过程（二）环路的捕捉过程环路处于失锁时，环路处于失锁时， VCO与目标信号频率间存在频差与目标信号频率间存在频差V= S- V ，若若V过大，超过过大，超过LF的带宽，的带宽，ud(t)将将不能通过不能通过LF,产生不了控制电产生不了控制电压压uc(t)，环路无法捕捉到，环路无法捕捉到 S、一直处于失锁。因此，存在着一个、一直处于失锁。因此，存在着一个保证环路由失锁经捕捉而进入锁定的最大允许值保证环路由失锁经捕

17、捉而进入锁定的最大允许值Vmax, 将它称为将它称为捕捉带捕捉带（用（用p表示）。表示）。-环路由失锁进入锁定的过程环路由失锁进入锁定的过程设被捕信号为固定频率的载波，则动态平衡方程可写成：0( )(0)( )edeVptK K Fsint做出的相图如图：A B e(t)3-22p e(t)KdKoF(0)V当起始频差V0时，时， e(t)为增函为增函数，轨迹向右。数，轨迹向右。当当p e(t) KdKoF(0)，锁定点锁定点消失，不能入锁。消失，不能入锁。所以，捕捉带所以，捕捉带p =Vmax= KdKoF(0)A B e(t)3-22p e(t)KdKoF(0)V六、模拟锁相环路线性分析六

18、、模拟锁相环路线性分析（一）（一）APLL的线性化的线性化跟踪过程中，在跟踪过程中，在 e(t) /6时，时，ud(t)=Kdsin e(t) Kd e(t)所以，有：所以，有：p e(t)+KoKdF(p) e(t)=p 1(t) 对上式取拉氏变换、并加以整理得到：对上式取拉氏变换、并加以整理得到：)()()()(1SSSSFKKSeode由此可得到由此可得到APLL线性化相位模型：线性化相位模型：Ko/SUC(S)dK 1(S) e(S) 2(S)Ud(S)F(S) 2(S)其中，其中， 2(S)=KdKoF(S) e(S)/S六、模拟锁相环路线性分析六、模拟锁相环路线性分析（二）（二）A

19、PLL的相位传输函数的相位传输函数1.开环传输函数开环传输函数2.闭环传输函数闭环传输函数3.误差传输函数误差传输函数SSFKKSSSGde)()()()(02)()()(1)()()()(0012SFKKSSFKKSGSGSSSHdd)()(11)()()(01SFKKSSSGSSSHdee误差传输函数与闭环传输函数的关系：误差传输函数与闭环传输函数的关系：He(S)=1-H(s)说明：说明：以上各式是研究跟踪特性和频率特性等的常用公式以上各式是研究跟踪特性和频率特性等的常用公式。六、模拟锁相环路线性分析六、模拟锁相环路线性分析（三）跟踪特性分析（三）跟踪特性分析KKSSSSSGSSSHde

20、e221)(11)()()(衡量环路跟踪性能的指标是跟踪相位误差，即衡量环路跟踪性能的指标是跟踪相位误差，即 e(t)的暂态、稳态响的暂态、稳态响应。前者描述了跟踪速度和跟踪过程中相位误差波动的大小；后者应。前者描述了跟踪速度和跟踪过程中相位误差波动的大小；后者是是t时的相位误差值时的相位误差值 e .举例说明其分析方法。设举例说明其分析方法。设APLL采用采用RC积分滤波器，积分滤波器，11)(1SSFSSKKSGd20)(若令12 ,02ndnKK22222)(nnneSSSSSH有设t0以后的固有相位差为：tdttStS01)(对上式取拉氏变换，对上式取拉氏变换，21/)(SSS)2()

21、2()()()(221nnnSeeSSSSSSHS对上式取拉氏反变换，得到对上式取拉氏反变换，得到11221222221 2( )2(1)2(1)(1 2)ntssennnntesintcost暂态响应暂态响应稳态响应稳态响应第一项：第一项：dSnSeKK02第二项：是振幅为指数衰减函数的两个正弦振荡的差值，两者振第二项：是振幅为指数衰减函数的两个正弦振荡的差值，两者振荡频率相同，相位相差荡频率相同，相位相差 /2，振幅不同。当，振幅不同。当t时，此时，此项项0，所以是暂态响应。，所以是暂态响应。六、模拟锁相环路线性分析六、模拟锁相环路线性分析（四）频率特性分析（四）频率特性分析-在不同频率输

22、入时具有不同的传输能力。在不同频率输入时具有不同的传输能力。令令j =S,则则222)2()(11)(nnjH当当 取不同值时，其幅频特性曲线也不同，环路具有低通特性。当取不同值时，其幅频特性曲线也不同，环路具有低通特性。当 =0.707时特性最平坦，此时上限频率为时特性最平坦，此时上限频率为210KKdnH第五节第五节 APLL电路及其应用电路及其应用一、集成锁相环路一、集成锁相环路-将将PD、VCO、放大器等集成在一块芯片、放大器等集成在一块芯片上，各部件之间不连接或部分连接，以便上，各部件之间不连接或部分连接，以便于插入环路滤波器中的阻容元件或其它电于插入环路滤波器中的阻容元件或其它电路

23、，具有灵活、功能强等特点。路，具有灵活、功能强等特点。按最高工作频率不同，集成锁相环分为：按最高工作频率不同，集成锁相环分为：低频型（低频型（f30MHz)（一）锁相接收机（电路框图如图）（一）锁相接收机（电路框图如图）fs:接收的目标信号频率接收的目标信号频率；fd:经混频后的差频，即经混频后的差频，即中频信号中频信号fI;锁相目的：锁相目的：使使fd fI混混 频频中中 放放N倍频倍频VCO LF fsfIf0fo=Nfofd=fo-fSfd=fIuc(t)ud(t)PD原理：原理：将将fd、fI 加至加至 PD进行鉴相，利用差拍电压进行鉴相，利用差拍电压uc(t)去控制去控制VCO。锁。

24、锁定时，其输出振荡的定时，其输出振荡的N倍频倍频(f0=Nf0)与与fs之差之差fd可与可与fI完全同步。完全同步。接收机本振频率可通过改变接收机本振频率可通过改变N来调整，达到切换接收目标信号频来调整，达到切换接收目标信号频率的目的。率的目的。二、二、APLL 的应用的应用（二）相干解调（二）相干解调平方器平方器解调解调 PD VCO LF LF 1/2 BF us(t) (DSB) s 2 s2 2 s2 2 s2 s s 因因DSB中无载频，所以中无载频，所以要实现解调，需加相干要实现解调，需加相干（其频率等于原载频）（其频率等于原载频）的信号。用的信号。用PLL可方便可方便地从地从DS

25、B波中提取出解波中提取出解调所必须的相干载波调所必须的相干载波。电路框图如图所示电路框图如图所示原理：原理：DSB信号经平方器（可用乘法器）变换成含有信号经平方器（可用乘法器）变换成含有2 s、2 s2 、 2 的信号，用窄带滤波器的信号，用窄带滤波器BF滤除滤除2 s2 、 2 ，利用利用PLL提取出提取出2 s，经二分频，即得到相干载频经二分频，即得到相干载频 s，供，供DSB解调用。解调用。（三）同步检波（三）同步检波利用利用APLL可轻而易举的将淹可轻而易举的将淹没在噪声中的载波提取出来。没在噪声中的载波提取出来。 PD 90o相移相移VCO LF 电路框图如图电路框图如图us(t)

26、(AM)RCC1u (t)设设us(t)=Us(1+masin t)Cos st锁定时，锁定时，VCO输出频率与输入载输出频率与输入载波同步，即波同步，即u0(t)=U0sin st所以相移后所以相移后u0(t)=U0cos st乘法器输出：乘法器输出：um(t)=Kmus(t)uo(t)=Ud+Udmasin t+Ud(1+ masin t)Cos2 st= Udmasin t用C1隔掉用用RC低通滤除低通滤除其中其中，Ud=KmUsUo/2（四）锁相调制（四）锁相调制晶振晶振1/NVCO LF PDfrPM或或FMUP(PM)UF(FM)()()()()()(00sHsssFssFsKUU

27、KKKdppd调相的实现，由于晶振的输出相位调相的实现，由于晶振的输出相位 s=常数，设常数，设N=1,VCO输出输出的已调相位信息为：的已调相位信息为：)(sH式中式中为闭环传递函数，具有低通特性。为闭环传递函数，具有低通特性。Kd1相当于相当于调相灵敏度，量纲是调相灵敏度，量纲是rad/v.为避免调相的非线性失真，为避免调相的非线性失真，Kd应应保持为常数，或者保持为常数，或者 e6调频的实现：调频的实现：)(1)()()()(000sHssFssssUKKKUKFdF)()()(00sFsssKKUKdF输出输出 相位相位调制输出频率信息调制输出频率信息 0=)(ss。因此，。因此，由于

28、由于)(1sH是高通函数，因此为避免低频失真，其截止是高通函数，因此为避免低频失真，其截止频率小于频率小于min。此外，为避免非线性失真，。此外，为避免非线性失真，K0应为常应为常数。数。由于由于 PD的鉴相范围有限，调制指数的鉴相范围有限，调制指数mp、mf不能过大，不能过大，要提高调制指数要提高调制指数mp、mf，可引入可引入1/N的分频器。的分频器。（五）数字频率合成系统（五）数字频率合成系统频率合成技术在雷达、通信、电视广播、遥控遥测和测频率合成技术在雷达、通信、电视广播、遥控遥测和测量领域已得到广泛应用。量领域已得到广泛应用。具其组成原理，可分为两类：具其组成原理，可分为两类：1.以

29、滤波器为主的直接频率合成技术以滤波器为主的直接频率合成技术2.锁相频率合成技术锁相频率合成技术数字频率合成器的优点：数字频率合成器的优点：体积小、重量轻、功耗小、便于集成等。体积小、重量轻、功耗小、便于集成等。1.单环数字频率合成器单环数字频率合成器组成框图如图组成框图如图晶振晶振1/NVCO LF PD设要求移动电台频道设要求移动电台频道识别能力为识别能力为100Hz,则则基准频率基准频率fr和鉴相器的和鉴相器的工作频率取为工作频率取为100Hz, VCO输出频率输出频率f0为为3 3.9999MHz,频道间隔频道间隔 f0(亦称步长亦称步长)为为100Hz,可变分频器的分频系数可变分频器的

30、分频系数N= f0/ fr=（ 3 3.9999 ） 106/100=30000 39999由由f0=Nfr可知，改变分频系数可知，改变分频系数N可改变输出频率可改变输出频率f0。frf0f01.单环数字频率合成器单环数字频率合成器晶振晶振1/NVCO LF PD缺点：缺点：(1) PD工作频率低，一般仅为工作频率低，一般仅为100 1000Hz,LF的频带很窄的频带很窄环路捕捉带环路捕捉带p很窄，很窄，捕捉时间较长。捕捉时间较长。频率合成器的稳频率合成器的稳定度与晶体振荡器定度与晶体振荡器（基准源）在同一（基准源）在同一数量级。数量级。(2) 要求要求N很大很大,N环路增益环路增益KV(=K0KdF(0)/N) ,要求要求VCO的的变换增益变换增益K0 影响稳定性。影响稳定性。解决方法：解决方法：采用多环数字频率合成器。采用多环数字频率合成器。2.双环数字频率合成器双环数字频率合成器晶振晶振VCO1LF1 PD11/Nr1/Nr1/N11/N2VCO2LF2 PD21/Nr1/N2混频混频LF III组成框图如图组成框图如图fR1fR1fR2fR2f01f01它包括两个数字锁相环