模拟集成电路系统第8章

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1、第八章 反馈控制系统第一节 概述第二节 自动增益控制（AGC）电路第三节 自动频率控制（AFC）电路第四节 模拟锁相环路（APLL）第五节 APLL电路及应用（一）反馈控制系统的构成参考 信号 Xr(t) 比较器控制信号 发生器可控器件反馈网络反馈 信号 Xf(t)误差 信号 Xe(t)控制 信号 Xc(t)输入 信号 Xi(t)输出 信号 X0(t)它由比较器、控制信号发生器、可控器件和反馈网络四部分构成。 如图：第一节 概述（二）反馈控制系统各部分功能比较器将反馈信号Xf(t)与参考信号Xr(t)比较后产生误 差信号Xe (t)。控制信号发生器在误差信号Xe (t)的作用下产生控制信 号X

2、c(t)，以对可控器件的某一特性进 行控制。可控器件 受控于控制信号Xc(t),对输出信号X0(t)进行 调节。反馈网络从输出信号X0(t)中提取所需比较的分量馈送至 比较器。（三）、反馈控制电路的分类据反馈控制的对象分为：自动增益控制（AGC） 用以稳定输出电压信号的幅度。自动频率控制（AFC） 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 频增益。 自动相位控制（APC） 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 路(PLL)。据环路内部是模拟电路 还是数字电路，进而分为：模拟锁相环（APLL）数字锁相环（DPLL）。第二节 自动增益控制电路电压 比较器可控

3、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反馈网络一、AGC电路的组成框图根据输入信号的类型、特点及控制要求，主要有两种类型：1.简单AGC2.延迟AGC二、AGC电路的类型（一）简单AGC电路UOUi简单AGC电路的控制特性特点：UR=0。只要输入信号Ui幅 度增加，AGC的作用就会使增益 A减小。优点：简单，无需比较器。缺点：不管幅度大小，均降低 增益。致使Ui很弱时，Uo很小 ，接收灵敏度降低.其控制特性如图：延迟AGC电路的控制特性UR（二）延迟AGC电路基本思想： Ui很弱时， AGC不起作用；只有Ui达到某一门限值UR时，AGC才起作用。其

4、控制特性如图：无AGC有AGC1. 用AGC电压去调节放大器的参量2. 在放大级间插入受AGC电压控制 的可控衰减器三、控制增益的方法由小信号谐振放大电路增益表达式：Au(jo)=-n1n2gm/GT可知，改变gm或GT都将使Au改变。（一）调节放大器的参量1.UAGC调节gm调节Au(j) gmIEMNgm的大小与工作点电流IE有关其关系 曲线如图： 所以用UAGC控制IB 调节IE 调节gm控制电路如图：uiu0ECUAGCui反向AGC正向AGC(2)(1)对具有曲线(1) 特性的管子构成的放大 器，若工作点设在M点的左侧，则 uiUAGCIE gmAu(称反 向AGC)。对具有曲线(2

5、)特性的管子构成的放大 器，若工作点设在N点的右侧，则 uiUAGCIE gmAu(称正 向AGC)。ABDR1R2R3UAGCECT1T2（一）调节放大器的参量2. UAGC调节GT调节Au(j)控制电路如图：（设管子为反向AGC）阻尼二极管D和R1、R2、R3用 来调节第一回路的总电导，使 D、R2并联在第一回路。 Ui较小时UAGC IC2 UBUA D 截止 D、R2 支路近似开路，GT1 AuUi较大时，UAGC IC2 UB UA D导通 rd+R2并联在 第一回路 GT1 Au 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。(二)电控衰减器增益控制电路 前述方法的缺点:

6、UAGC变化GT变化IE变化解决方法：采用电控衰减器AGC电路变化使B(=GT/CT）、同时， RiRo、 CiCo变化，(二)电控衰减器增益控制电路电路如图:UiUoUoUi+UAGCRFCRFCRRDD(a)(b)+UAGCRFC的作用： (1)防止高频信号回串影响UAGC(2)对直流控制电压UAGC短路原理：利用二极管的变阻特 性与R构成分压。以(a)为例,UAGCrd Au 应该指出：衰减系数K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K，所以一般选取等效电容小的PIN二 极管。第三节 自动频率控制（AFC）电路 目的稳定振荡频率电路组成频率比较器 Kd低通滤波器 F(

7、S)可控频率器件 Korr(S)uc(t)Uc(S)Ud(S)ud(t)vv(S)电路组成框图ui(t)一、AFC电路工作原理一、AFC电路工作原理 频率比较器有两种： (1)鉴频器-中心频率0起参考信号r的作用。其输出误差电压 为ud(t)=kd(0- v)= kd(r- v)。 (2)混频鉴频器-本振信号L与输出信号混频，然后鉴频，参考信号r= o+ L。其输出误差电为ud(t)=kd(r- v)= kd (0+ L) - v 低通滤波器-滤除误差信号ud(t)中的干扰成分，输出控制电压信号uc(t)。可控频率器件-一般是VCO,其输出振荡频率为v= v0+K0uc(t)。其中， v0：

8、uc(t)=0时VCO的振荡频率；K0 : 控制灵敏度 。二、主要性能指标-暂、稳态响应和跟踪特性 AFC电路的数学模型 (1)频率比较器的数学模型 对ud(t)= kd(r- v)= kd(r- v ）= kd e(t)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(3)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:显见,它是频 率反馈系统 。（一

9、）暂态和稳态响应由AFC电路的数学模型可得 ：K0Uc(S)v(S)Kdr(S)v(S)e(S)ud(S)F(S)1.开环传输函数：2.闭环传输函数：所以，输出频率偏移函数为：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。（二）跟踪特性K0Uc(S)v(S)Kdr(S)v(S)e(S)ud(S)F(S)由AFC数学模 型可知，误差 函数E(S)为显见，e(S)越小，跟踪特性越好。例如求r发生阶跃变化 r情况下，AFC环路的稳态响应。频率阶跃的象函数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：其中，F(0)为低通滤波器 的直流传输函数。e-称为AFC环路的剩余

10、频差。 r说明AFC有自动调节频差的能力。eKV时，上式无解，即环路不存在锁定的e,，所以能维持锁定所允 许的最大固有频差Vmax=KV，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（二）环路的捕捉过程环路处于失锁时， VCO与目标信号频率间存在频差V=S-V ， 若V过大，超过LF的带宽，ud(t)将不能通过LF,产生不了控制电 压uc(t)，环路无法捕捉到S、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Vmax, 将它称为 捕捉带（用p表示）。-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：

11、做出的相图如图：A Be(t)3-22pe(t)KdKoF(0)V当起始频差V0时， e(t)为增函 数，轨迹向右。 当pe(t) KdKoF(0)，锁定点 消失，不能入锁。所以，捕捉带p =Vmax= KdKoF(0)A Be(t)3-22pe(t)KdKoF(0)V六、模拟锁相环路线性分析（一）APLL的线性化跟踪过程中，在e(t) 0以后的固有 相位差为：对上式取拉氏变换，对上式取拉氏反变换，得到暂态响应稳态响应第一项：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/2，振幅不同。当t时，此 项0，所以是暂态响应。六、模拟锁相环路线性分析（四）频率特性分析

12、-在不同频率输入时具有不同的传输能力。令j=S,则当取不同值时，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，此时上限频率为第五节 APLL电路及其应用一、集成锁相环路-将PD、VCO、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，以便于插入环路滤波器中的阻容元件或其它电路，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： 低频型（f30MHz)（一）锁相接收机（电路框图如图） fs:接收的目标信号频率；fd:经混频后的差频，即 中频信号fI; 锁相目的：使fdfI混 频中 放N倍频VCO LF fsfIf0fo=Nfofd=fo-fSfd=fIuc

13、(t) ud(t)PD原理：将fd、fI 加至 PD进行鉴相，利用差拍电压uc(t)去控制VCO。锁 定时，其输出振荡的N倍频(f0=Nf0)与fs之差fd可与fI完全同步。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 率的目的。二、APLL 的应用（二）相干解调平方器解调PD VCOLF LF 1/2 BF us(t) (DSB) s2s22s22s2ss因DSB中无载频，所以 要实现解调，需加相干 （其频率等于原载频） 的信号。用PLL可方便 地从DSB波中提取出解 调所必须的相干载波。电路框图如图所示原理：DSB信号经平方器（可用乘法器）变换成含有2s、2s2 、 2的信号，

14、用窄带滤波器BF滤除2s2、 2，利用PLL提取出 2s，经二分频，即得到相干载频s，供DSB解调用。（三）同步检波 利用APLL可轻而易举的将淹 没在噪声中的载波提取出来 。PD 90o相移VCOLF 电路框图如图us(t) (AM)RCC1u(t)设us(t)=Us(1+masint)Cosst锁定时，VCO输出频率与输入载 波同步，即u0(t)=U0sin st所以相移后u0(t)=U0cos st乘法器输出： um(t)=Kmus(t)uo(t)=Ud+Udmasin t+Ud(1+ masint)Cos2 st= Udmasin t用C1隔掉用RC低通滤除其中，Ud=KmUsUo/2

15、（四）锁相调制晶振1/NVCOLF PD frPM或FMUP(PM)UF(FM)调相的实现，由于晶振的输出相位s=常数，设N=1,VCO输出 的已调相位信息为：式中为闭环传递函数，具有低通特性。相当于调相灵敏度，量纲是rad/v.为避免调相的非线性失真，应 保持为常数，或者e调频的实现：输出 相位调制输出频率信息0=。因此，由于是高通函数，因此为避免低频失真，其截止频率小于。此外，为避免非线性失真，应为常数。 由于 PD的鉴相范围有限，调制指数mp、mf不能过大，要提高调制指数mp、mf，可引入1/N的分频器。（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 量领域已得到广泛应用。具其组成原理，可分为两类： 1.以滤波器为主的直接频率合成技术2.锁相频率合成技术数字频率合成器的优点：体积小、重量轻、功耗小、便于集成等。1.单环数字频率合成器组成框图如图 晶振1/NVCOLF PD设要求移动电台频道识别能力为100Hz,则基准频率fr和鉴相器的工作频率取为100Hz, VCO输出频率f0为