锁相环集成电路原理和应用 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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曾庆贵 著

图书标签:

• 锁相环
• PLL
• 集成电路
• 模拟电路
• 射频电路
• 通信系统
• 信号处理
• 电子工程
• 微电子学
• 相位噪声

出版社： 上海科学技术出版社

ISBN：9787547809761

版次：1

商品编码：10922163

包装：平装

开本：16开

出版时间：2012-02-01

用纸：胶版纸

页数：246

字数：390000

正文语种：中文

内容简介

锁相环是一种使输出信号与基准信号在频率和相位上保持同步的电路单元。这种独特的性能使锁相环在频率调制和解调、频率合成和倍增、频率鉴别、音调译码、数据同步、电压／频率转换、电动机控制等领域获得广泛的应用。但是，锁相环的应用只有实现集成化之后才更加普及和方便。
《锁相环集成电路原理和应用》介绍国内外流行且广泛应用的几种锁相环集成电路，它们由CMOS、高速CMOS或双极工艺制成，分别具有微功耗、高线性压控振荡器和高速度等特点。在阐述每一种锁相环集成电路的工作原理和特性后，再介绍它的应用实例，内容丰富、实用性强.既有单元应用电路，也有综合应用实例，使读者从中得到启发和借鉴。
全书共分6章：第1章概述，第2章CMOS微功耗锁相环4046，第3章CMOS相位比较器TC5081，第4章高速CMOS锁相环74HC/HCT4046，第5章全数字锁相环74HC/HCI297，第6章双极锁相环集成电路。
《锁相环集成电路原理和应用》适合对锁相环集成电路有兴趣的读者阅读，也可供大专院校电子和通信等专业的学生参考。

目录

第1章 概述
1.1 锁相环原理简介
1.1.1 锁相环的组成
1.1.2 锁相环的发展和应用
1.2 锁相环集成电路分类

第2章 CMOS微功耗锁相环4046
2.1 工作原理
2.2 电参数
2.3 应用实例

第3章 CMOS相位比较器TC5081
3.1 TC5081
3.1.1 工作原理
3.1.2 电参数
3.2 TC5082和TC9122简介
3.2.1 TC5082
3.2.2 TC9122
3.3 应用实例

第4章 高速CMOS锁相环74HC／HCT4046
4.1 工作原理
4.1.1 压控振荡器（VCO）
4.1.2 相位比较器
4.2 电参数
4.2.1 74HC型集成电路的电参数
4.2.2 74HCT型集成电路的电参数
4.3 应用实例

第5章 全数字锁相环74HC／HCT297
5.1 工作原理
5.1.1 鉴相器
5.1.2 ÷K计数器
5.1.3 增／减（I／D）电路
5.1.4 完整的DPLL
5.1.5 电参数
5.2 DPLL的应用实例

第6章 双极锁相环集成电路
6.1 锁相环NE／SE564
6.1.1 工作原理
6.1.2 电参数
6.1.3 应用实例
6.2 通用单片锁相环NE/SE565
6.2.1 工作原理
6.2.2 电参数
6.2.3 应用实例
6.3 通用函数发生器NE／SE566
6.3.1 工作原理
6.3.2 电参数
6.3.3 应用实例
6.4 音频译码器／锁相环NE／SE567
6.4.1 工作原理
6.4.2 电参数
6.4.3 应用实例
参考文献

前言/序言

《锁相环集成电路原理与应用》 一、 概述 锁相环（Phase-Locked Loop, PLL）作为一种重要的电子系统，凭借其在信号同步、频率合成、调制解调等方面的出色表现，已成为现代电子技术不可或缺的组成部分。从通信系统到消费电子，从工业控制到科学仪器，PLL 的身影无处不在。本书旨在系统性地阐述锁相环集成电路的核心原理、关键技术以及在不同领域的广泛应用，为读者提供一个全面而深入的认知框架。我们将从 PLL 的基本构成入手，逐步深入到其工作机制、设计考量以及在高复杂度集成电路中的实现方式。 二、PLL 的基本构成与原理 锁相环的基本闭环系统由三个核心模块组成：鉴相器（Phase Detector, PD）、环路滤波器（Loop Filter, LF）和压控振荡器（Voltage-Controlled Oscillator, VCO）。 1. 鉴相器 (Phase Detector, PD)： 鉴相器的主要功能是将输入参考信号（Reference Signal）与压控振荡器输出的反馈信号（Feedback Signal）进行比较，生成一个与两者相位差成正比的误差电压（Error Voltage）。误差电压的符号和大小直接反映了参考信号和反馈信号之间的相位关系。 原理：PD 的工作原理基于对两个输入信号的瞬时相位差异进行检测。常见的鉴相器类型包括： 乘法型鉴相器 (Multiplier PD)：其输出信号与两个输入信号的乘积成正比。当两个输入信号的相位差较小时，输出信号近似线性，适合用于小相位差检测。例如，平衡调制器（Balanced Modulator）是一种典型的乘法型鉴相器。 异或型鉴相器 (XOR PD)：适用于方波信号，其输出是两个输入信号异或（XOR）操作的结果。在信号相位差小于半个周期时，输出信号的占空比随相位差变化，通过低通滤波可以得到与相位差成正比的直流分量。 边沿触发型鉴相器 (Edge-Triggered PD)：如电荷泵鉴相器（Charge-Pump PD, CP-PD）。CP-PD 通过在参考信号和反馈信号的边沿触发来控制电荷泵对电容充电或放电，从而生成一个与相位差成正比的脉冲序列，经过滤波后得到误差电压。这种鉴相器具有零死区（Zero Dead Zone）的特点，能够提供更精确的相位锁定，并且对参考信号的占空比不敏感。 性能指标：鉴相器的输出增益（Phase Detector Gain, Kp）是衡量其性能的关键参数，它表示单位相位差产生的误差电压大小。Kp 越大，PLL 的动态响应越快。此外，鉴相器的线性度、死区特性、输出信号的平均值等也是重要的考量因素。 2. 环路滤波器 (Loop Filter, LF)： 环路滤波器的作用是对鉴相器输出的误差信号进行滤波，滤除高频噪声和不希望存在的杂散信号，同时决定 PLL 的动态特性，如锁定速度、跟踪精度和稳定性。 原理：环路滤波器通常是一个低通滤波器（Low-Pass Filter, LPF），其传递函数决定了 PLL 的闭环频率响应。常见的滤波器类型包括： 一阶滤波器：仅由一个电阻和一个电容构成，提供最简单的滤波功能，但动态性能受限。 二阶滤波器：由一个电阻、一个电容和一个串联电阻或一个积分电容构成，能够提供更好的频率响应和稳定性。通常采用一个串联电阻（R1）、一个并联电容（C1）和一个串联电容（C2）的结构，即所谓的“二阶前馈滤波器”或“二阶比例积分滤波器”。 高阶滤波器：在需要更严格的滤波性能或更复杂的动态特性时，可以使用更高阶的滤波器。 性能指标：环路滤波器的关键参数包括带宽（Bandwidth）、阻尼因子（Damping Factor）和环路增益（Loop Gain）。滤波器的带宽决定了 PLL 能够跟踪的频率变化范围，阻尼因子则影响 PLL 系统的稳定性。 3. 压控振荡器 (Voltage-Controlled Oscillator, VCO)： 压控振荡器是 PLL 的核心频率生成单元。其输出频率由输入到其控制端的控制电压（Error Voltage）决定。 原理：VCO 的工作原理是利用电子元件（如电感、电容、二极管、晶体管）的电特性对振荡频率进行电压控制。常见的 VCO 实现技术包括： LC 振荡器：利用电感（L）和电容（C）组成的谐振回路来确定振荡频率，通过改变电容或电感的电特性来实现频率的电压控制。 RC 振荡器：利用电阻（R）和电容（C）组成的充放电回路来产生振荡，通过改变电阻或电容的值来控制频率。 环形振荡器 (Ring Oscillator)：由串联的奇数个反相器组成，其振荡频率与反相器的延迟成反比，通过改变反相器的驱动电流或阈值电压来控制频率。 LC 振荡器（特别是LC Tank Circuit）：在集成电路中，LC 振荡器常用于高频应用，其频率由谐振回路中的电感和电容决定。压控电容（Varactor）是实现 LC 振荡器频率电压控制的关键元件。 压控振荡器（Voltage-Controlled Oscillator, VCO）：VCO 的核心是其压控核心，通过改变输入电压来改变振荡器的输出频率。 性能指标：VCO 的主要性能指标包括： 压控增益 (Voltage-to-Frequency Conversion Gain, Kvco)：表示输入控制电压变化单位量时，输出频率的变化量。Kvco 越大，VCO 对控制电压越敏感，PLL 的跟踪速度越快。 调谐范围 (Tuning Range)：VCO 能够输出频率的范围。 相位噪声 (Phase Noise)：VCO 输出信号的频谱纯度，是衡量 PLL 性能的重要指标。低相位噪声对于通信和测量系统至关重要。 功耗 (Power Consumption)：VCO 是 PLL 中功耗较大的部分，在便携式设备中尤为重要。 启动特性 (Startup Characteristics)：VCO 能够快速、稳定地启动振荡的能力。 三、 PLL 的工作过程与动态特性 锁相环的工作过程是一个反馈控制过程，其目标是使压控振荡器的输出信号与输入参考信号在频率和相位上同步。 1. 捕获 (Capture)： 当 PLL 首次通电或输入信号发生较大变化时，PLL 处于捕获状态。此时，鉴相器输出的误差电压会驱动 VCO 的频率朝着参考信号的频率调整。如果参考信号频率在 PLL 的捕获范围内（Capture Range），VCO 的频率会逐渐接近参考信号频率，直至达到锁定状态。捕获过程的快慢取决于鉴相器的类型、环路滤波器的带宽以及 VCO 的压控增益。 2. 锁定 (Lock)： 当 PLL 进入锁定状态后，VCO 的输出信号频率与参考信号频率严格相等（或存在一个固定的频率差，如用于频率合成），并且相位差保持在一个很小的、恒定的值。此时，鉴相器输出的误差电压不再是零，而是维持 VCO 在参考信号频率附近稳定工作所需的微小控制电压。 3. 跟踪 (Tracking)： 在锁定状态下，即使参考信号的频率发生微小的变化，PLL 也能通过误差电压的变化来跟踪这种变化，使 VCO 的输出频率始终与参考信号保持同步。PLL 能够跟踪的最大频率变化速率由 PLL 的带宽决定。 4. 动态特性分析： PLL 的动态特性主要由闭环传递函数来描述。闭环传递函数表征了 PLL 对输入信号变化的响应能力，包括其瞬态响应和稳态响应。 瞬态响应：描述了 PLL 在输入信号发生阶跃变化时，输出信号达到稳定状态所需的时间和过程，如超调量、沉降时间等。 稳态响应：描述了 PLL 在输入信号持续变化或存在噪声时，输出信号与输入信号的跟踪误差。 稳定性：PLL 的稳定性是关键的设计考量。不稳定的 PLL 会导致振荡或无法锁定。阻尼因子是判断 PLL 稳定性的重要参数。 四、 PLL 集成电路的设计与实现 在现代集成电路设计中，PLL 的实现需要考虑诸多因素，包括器件模型、噪声、功耗、集成度以及版图设计等。 1. 器件模型与建模： 准确的器件模型对于 PLL 的仿真和设计至关重要。例如，VCO 的非线性特性、鉴相器的寄生效应、环路滤波器的非理想性等都需要在模型中得到体现。 2. 噪声分析： PLL 系统中的噪声源主要包括： VCO 相位噪声：这是 PLL 输出信号最主要的噪声来源，对通信系统的误码率和测量系统的精度有显著影响。 鉴相器噪声：如量化噪声（Quantization Noise）和随机时钟抖动（Random Clock Jitter）。 电源噪声：电源的纹波和瞬态变化会耦合到 PLL 各个模块，影响其性能。 衬底噪声：在高度集成的芯片中，不同模块产生的衬底噪声可能会相互影响。 3. 功耗优化： 在低功耗应用中，VCO 的功耗是设计的重点。通过优化 VCO 结构、采用低压工作技术等方式来降低功耗。 4. 集成度与小型化： 随着集成电路工艺的进步，PLL 模块的集成度越来越高，能够集成更多的功能，并实现更小的尺寸。 5. 版图设计： PLL 的版图设计对性能影响很大，尤其是在高频设计中。需要考虑信号的串扰、寄生电容和电感、电源和地线的阻抗等。 五、 PLL 的实际应用 锁相环技术在众多领域发挥着核心作用，以下列举一些典型的应用场景： 1. 频率合成 (Frequency Synthesis)： PLL 是频率合成器的核心。通过改变分频比，可以从一个高稳定度的参考频率源产生出各种所需的输出频率，广泛应用于无线通信基站、手机、雷达系统等。 2. 时钟恢复 (Clock Recovery)： 在串行通信系统中，接收到的数据流中可能没有独立的时钟信号。PLL 可以从数据流中提取时钟信号，从而实现数据的正确采样和恢复。这对于高速数据通信、光通信等至关重要。 3. 时钟同步 (Clock Synchronization)： 在多处理器系统、分布式系统等场合，需要将各个处理单元的时钟同步起来，以保证系统协同工作。PLL 可以用来同步不同时钟域的时钟信号。 4. 调制与解调 (Modulation and Demodulation)： FM 调制与解调：PLL 可以用于频率调制（FM）信号的解调。当接收到的 FM 信号频率变化时，PLL 的输出误差电压会随之变化，该电压即为解调出的音频信号。 PM 调制与解调：PLL 也可以用于相位调制（PM）信号的解调。 ASK/FSK 调制与解调：通过将 ASK/FSK 信号作为参考信号，PLL 可以实现相应的解调。 5. 抖动抑制 (Jitter Reduction)： PLL 具有一定的抖动抑制能力，可以将输入信号的较大抖动通过滤波作用衰减，输出更纯净的时钟信号。这在对时钟抖动敏感的系统中非常有用。 6. 精密测量仪器： 在示波器、频谱分析仪、频率计等精密测量仪器中，PLL 被用于提供高精度、低噪声的本地振荡器信号，或者用于信号的同步和捕捉。 7. 消费电子产品： 在 DVD/CD 播放器、数字电视、计算机主板等消费电子产品中，PLL 被用于时钟生成、数据恢复、PLL 驱动的时钟产生等。 六、 总结 本书对锁相环集成电路的原理、设计与应用进行了详尽的阐述。我们从 PLL 的基本构成模块——鉴相器、环路滤波器和压控振荡器出发，深入探讨了它们的工作原理、性能指标以及在实际电路中的实现方式。进而，我们分析了 PLL 的动态特性，包括捕获、锁定和跟踪过程，并讨论了影响其稳定性和性能的关键因素。最后，本书详细介绍了 PLL 在频率合成、时钟恢复、调制解调等众多领域的广泛应用，展示了 PLL 技术在现代电子工程中的重要地位。通过对本书的学习，读者将能够建立起对锁相环集成电路系统全面的理解，并能够将其应用于实际的电路设计和问题解决中。

评分☆☆☆☆☆

这本书的内容对我来说实在太过晦涩难懂了。我本以为能够通过它来深入了解锁相环集成电路（PLL）的核心工作原理，结果发现书中充斥着大量我无法理解的数学公式和专业术语，像是直接跳过了基础概念，直奔高阶理论。比如，关于压控振荡器（VCO）的建模部分，作者似乎默认读者已经具备了扎实的半导体物理和电路分析知识，直接给出了复杂的微分方程，却没有给出推导过程，也没有深入浅出地解释这些方程的物理意义。对于像我这样需要从头学起的读者来说，这无疑是巨大的障碍。我尝试去理解其中关于环路滤波器的设计，但书中的分析仅限于理想情况，对于实际电路中元器件的非线性效应、噪声影响等关键因素的讨论却少之又少。总而言之，这本书更像是为已经有一定PLL基础的工程师准备的参考资料，而非适合初学者入门的教材。我期待的是能够一步步搭建起对PLL的认知，但这本书的呈现方式让我感到无所适从，仿佛置身于一片知识的迷雾之中，找不到前进的方向。

评分☆☆☆☆☆

阅读这本书的过程，让我深感其内容组织略显混乱，缺乏一个清晰的学习脉络。书的前半部分似乎在铺垫锁相环集成电路（PLL）的一些基础概念，但随后又迅速跳跃到了一些非常具体的应用实例，中间缺少了将概念与应用有效连接的桥梁。例如，在介绍了鉴相器（Phase Detector）的基本原理后，并没有立刻深入分析不同类型的鉴相器（如电荷泵鉴相器、模拟鉴相器）在实际电路中的具体实现细节和优缺点，而是直接转向了某个通信系统中使用PLL的案例。这使得我很难将所学到的理论知识应用到对案例的理解上。此外，书中对于参数的解释也显得不够系统，例如，在讨论PLL的锁定范围和跟踪范围时，并没有清晰地给出它们之间的关系以及影响因素，这让我对这两个关键参数的理解产生了混淆。总的来说，这本书更像是一个知识点的堆砌，而非一个结构化的学习体系，让我难以形成对PLL的整体认知和掌握。

评分☆☆☆☆☆

这本书在描述锁相环集成电路（PLL）的“应用”时，显得颇为宏大而宽泛，但却在“原理”的深度上有所欠缺。作者列举了PLL在无线通信、数据采集、时钟生成等多个领域的应用场景，并简要提及了PLL在其中扮演的关键角色，例如在频率合成中的作用，或者在时钟恢复中的重要性。然而，当读者试图深入了解这些应用是如何通过PLL的内部机制实现的，或者PLL的哪些特性是实现这些功能的核心时，书中提供的解释就显得不够具体和深入了。例如，在介绍PLL如何实现高精度频率合成时，作者可能只提及了“通过控制VCO的输出频率”，但并未详细阐述VCO的调谐特性、压控电容的非线性如何影响精度，以及数字分频器在频率选择中的作用。同样，在讨论PLL的低抖动特性时，也只是简单地说“通过环路滤波器抑制噪声”，但并未深入分析不同滤波器拓扑的噪声抑制能力，以及其对PLL锁定时间和稳定性的影响。这种“只知其一，不知其二”的讲解方式，使得读者在理解PLL的实际工作原理时，始终隔着一层纱，难以真正触及到其核心的电路设计思想和工程实践。

评分☆☆☆☆☆

这本书给我的整体感受是，它似乎更侧重于对锁相环集成电路（PLL）的“应用”层面进行泛泛而谈，而对于“原理”部分的讲解却显得有些捉襟见肘。在讨论诸如PLL在通信系统中的应用时，作者会列举一些经典的案例，比如频率合成、时钟恢复等，并简要说明PLL在其中扮演的角色。然而，当涉及到这些应用是如何通过PLL的内部机制实现的，例如，在频率合成中，PLL是如何通过改变控制电压来精确定位目标频率，以及其内在的相位噪声抑制机制为何，书中往往只是点到为止，缺乏深入的解析。我希望能看到更详细的关于VCO调谐曲线的特性分析，或者环路滤波器如何权衡锁定速度和抖动抑制的折衷。此外，关于实际集成电路设计中会遇到的各种挑战，例如电源纹波对PLL性能的影响，或者布局布线对信号完整性的考量，书中也几乎没有提及。感觉这本书的篇幅更多地被各种应用场景的描述所占据，而核心的电路设计理念和关键参数的权衡则被一笔带过，未能提供足够的深度和广度来帮助我真正掌握PLL的精髓。

评分☆☆☆☆☆

坦白说，这本书对我来说，更多地像是一本“设计指南”，而非“原理教科书”。它列举了许多锁相环集成电路（PLL）在不同场景下的设计考量，比如在高速串行接口中如何选择合适的PLL来满足低抖动要求，或者在低功耗设计中需要注意哪些参数的优化。书中确实提供了一些实用的设计流程和经验法则，例如，如何根据信号带宽和目标锁定时间来初步确定环路滤波器的带宽，以及如何评估压控振荡器（VCO）的相位噪声性能。但问题在于，这些“经验法则”往往没有给出清晰的理论依据，我很难理解为什么特定的数值或设计方法会产生预期的效果。例如，书中提到在设计锁相环路滤波器时，需要考虑“Q值”，但并没有详细解释Q值与滤波器的频率响应以及PLL整体稳定性的具体关联。对于初学者来说，这种“知其然，不知其所以然”的学习方式是相当令人沮丧的。我更希望能够看到对PLL基本单元（如鉴相器、电荷泵、VCO、低通滤波器）的深入数学建模和分析，理解它们各自的传递函数和动态特性，从而能够从根本上掌握PLL的设计。

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内容粗犷豪放 但愿能够得到进一步巩固

评分☆☆☆☆☆

专讲锁相环，实用的好书

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京东服务越来越差了

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专讲锁相环，实用的好书

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