高频高频电子电路详细解释chap10
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第十章
反馈控制电路
补充： 反馈的基本概念
（1）什么是反馈？
Ib hie
ic
vbe hrevce
hfeib
hoe vce
内部反馈
外部反馈
将电子系统的输出量（输出电压或输出电流），通过一定 的电路形式，部分或全部作用到输入回路，以影响其输入量 （输入电压或输入电流）的过程，称之为反馈。
（2）反馈放大电路的一般框图
近到一定程度时，鉴相器输出一误差电压，经环路滤波器变
换后控制VCO的频率，使其输出频率变化到ωi ，且两信号的 相位误差为 φ（常数），这时环路锁定。
2、环路的捕捉
从信号的加入到环路锁定以前，称环路的捕捉过程。
捕捉带(Δωp )—— 环路由失锁进入锁定所允许信号频率偏离ωr的最
大值。
3、环路的跟踪
• 环路锁定后，当输入基准信号的频率或相位发生某种变化时， 由于环路的反馈控制作用，压控振荡器的频率和相位将随输入 信号的变化而变化，使压控振荡器的频率与输入信号频率相同
且相位差固定为φ。
跟踪带（同步带） 能够维持环路锁定所允许的最大固有频差|Δωi| ，称为锁
相环路的跟踪带或同步带。
捕捉过程—环路由失锁进入锁定的过程
输入量 净输入量
基本放大电路
输出量
反馈量 反馈网络
反馈放大电路的一般框图
（3）反馈的基本类型
正反馈、负反馈 交流反馈、直流反馈 外部反馈、内部反馈
各种反馈控制电路，就其作用原理而言，都 可看作自动调节系统，它由反馈控制电路(器) 和受控（控制）对象两部分组成。
图中，xi 和 xo分别为反馈控制电路的输入量和输出
掌握锁相调频电路、锁相调频解调电路的原 理：锁相调频电路中调频信号从压控振荡器 端输出端输出；锁相调频解调电路中解调信 号从环路滤波器的输出端输出。
锁相环是一种以消除频率误差为目的的反馈控制电路， 它是利用相位误差去消除频率误差，当电路达到平衡 状态后，尽管存在剩余相位误差，但频率误差可以降 低到零。
Automatic Phase Control，APC 锁相环路(Phase Locked Loop，PLL) 相位负反馈控制系统
Δωi 较小→ud(t) 能顺利通过LF得到 uC(t) →控制VCO→环路锁定
Δωi较大→ ud(t) 通过LF有较大衰减 → uC(t) 较小→经频率牵引过程时间
长→环路锁定
Δωi很大→ ud(t) 不能通过LF产生 uC(t) →VCO不受控→环路失锁
锁相环性能特点
（1）环路在锁定状态下无剩余频差
（2）锁相环有良好的窄带特性 锁相环具有窄带特性，当压控振荡器频率锁定在
输入频率上时，仅位于输入信号频率附近的干扰成分 能以低频干扰的形式进入环路，而绝大多数的干扰会 受到环路低通滤波器的抑制。 （3）良好的跟踪特性
VCO的输出频率可以跟踪输入信号的变化，表现 出良好的跟踪特性。
锁相环路应用：锁相倍频、分频与混频
（2）频率间隔 （4）频率稳定度与准确度
直接频率合成器
目前最广泛应用的是数字锁相频率合成器 一、单环频率合成器
1 . 基本单环频率合成器
分频器
压控振荡器的输出信号先通过分频器进行 N次分频后再送给鉴相器与参考信号进行 比较，当环路锁定后，输出频率f0=Nfi
2 . 带高速前置分频器的锁相频率合成器
自动增益控制（AGC，Automatic Gain Control） 电路：在输入信号幅度变化很大的情况下，使输出信 号幅度保持恒定或仅在较小范围内变化的一种自动控 制电路。
uo A2 (ue )ui
Байду номын сангаас
自动频率控制电路（AFC）: 一种频率反馈控制 系统。控制的是信号的频率。 特点：误差信号是频率，所以稳定时有频差。
▪特性 (t) 0 Kuc (t)
▪在锁相环路中，压控振荡器的输出对鉴相器起作 用的不是瞬时角频率而是它的瞬时相位。
V (t) 0 KV uc (t)
t
t
0 V (t)dt 0t KV 0 uc (t)dt
V (t)＝KV
t
0 uc (t)dt
1 2
KMU U Rm Vm
sin(20t
1 (t )
V
(t))
1 2
K
MU
U Rm Vm
sin(1
(t
)
V
(t
))
通过环路滤波器滤除高频分量
ud
1 2
KMU U Rm Vm sin(1(t) V (t))
Kd sine (t)
鉴相器的数学模型
鉴相器特性 曲线
采用在分频器前增加高速前置分频器M(固定)，如图所示， 其输出频率为fo=MNf
本章总结
了解反馈控制电路的原理和结构： 了解AGC、 AFC、 APC的含义。
掌握锁相环的原理，理解其特点：有相位误 差，无频率误差。
掌握锁相环的电路结构：会画方框图，知道 每一部分的功能。
掌握锁相倍频、分频、混频电路的计算
若采用锁相混频电路则可以实现。将10 M Hz的信号送
给混频器，相当于图中的u2，而1KHz的信号送给鉴相器
相当于u1。因为需要取 f2 +fl ，故压控振荡器无控制电 压时的固有振荡频率必须大于f2，即f0> f2。
当两个频率相差很大的信号进行混频时，用普通混频器 取出其中任何一个分量都十分困难。而用锁相混频电路 却较易于实现。特别是需要输出信号的角频率能跟踪输 人信号的角频率的变化时。锁相混频电路在频率合成和 锁相接收机中得到广泛应用。
锁相环的基本原理
PLL构成 鉴相器(Phase Detector，PD) 环路滤波器(Loop Filter，LF) 压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator，VCO)
压控振荡器受环路滤波器输出电压控制，其输出信 号的振荡频率将发生变化，并反馈到鉴相器。最后 达到相位锁定的稳定状态。
KV p
uc (t)
p = d ，微分算子 dt
VCO的数学模型
VCO频率特性
环路滤波器（低通滤波器）
RC滤波器 无源比例滤波器 有源比例滤波器
1
KF
(s)
uc (s) ud (s)
R
sC 1
1 1
sRC 1 s 1
sC
环路的锁定与跟踪
1、环路的锁定
•没有输入信号时，VCO以自由振荡频率ωo振荡。 • 有输入信号ui(t)时，刚开始 ωi ≠ ωo。当某时刻，ωi 和 ωo 接
压控振荡器及其数学模型
▪电压-频率变换器（有线性控制特性的调频振荡器） 在外加控制电压的作用下，输出信号频率按一定规律变化的振 荡电路。采用压控元件作为频率控制元件。
▪作用——使振荡频率向输入信号的频率靠拢，直至两者的频率 相同，使VCO输出信号的相位和输入信号的相位保持某种关系 ，达到相位锁定的目的。
一、在调制解调技术中的应用
1、锁相调频电路
2、锁相鉴频电路
二、在空间技术上的应用
窄带跟踪滤波器——锁相接收机
第三节 频率合成器
频率合成器是利用一个(或几个)晶体振荡器产生一系列 (或若干个)标准频率信号的装备。
频率合成的方法：直接合成法与间接合成法。
主要技术指标
（1）工作频率范围 （3）频率转换时间 （5）频谱纯度
鉴相器及其相位模型
鉴相器即相位比较器。 比较输入信号的相位和VCO输出信号的相位，其输出
电压与相位差成正比
鉴相器输入信号
uR (t) URm sin[Rt R (t)]
uV (t) UVm cos[0t V (t)]
乘法器输出
KM uR (t)uV (t) KMURm sin[0t 1(t)]UVm cos[0t (t)]
锁相倍频电路
锁相分频电路
锁相混频电路
例 现有两个频率各为10 MHz和1000Hz的标准信号，
需要得到一个频率为10. 001 MHz的信号，应如何实现?
这个问题好像采用一般的混频器就可实现。但是，混频 器除了能产生和频之外，还有差频，即有10. 001 MHz 和9. 999 MHz的两个频率。要求取出10. 001 MHz的 信号并滤去9.999 MHz的信号，对滤波器的相对通频 带和矩形系数的要求太苛刻，非常难于实现。
量，它们之间的关系是根据使用要求予以设定的，设
为 xo = g xi
第一节 概述
高频振荡信号的参数：振幅、频率和相位。 对这三个参数分别进行控制，即自动振幅（增益）控制、
自动频率控制和自动相位控制。 AGC，AFC和APC。
Xo g(XR)
反馈控制电路组成：被控对象和反馈控制器。
VCO(压控振荡器)的输出电压的频率受输入电压 控制
自动相位控制(APC) 是一种相位反馈控制系统。 将参考信号与输出信号间的相位进行比较，产生相位误差 电压来调整输出信号的相位，以达到与参考信号同频的目 的。
特点：锁相环路控制的是信号的相位，即误差信号是
相位，所以稳定时只有相差。
第二节 自动相位控制（锁相环路PLL）
反馈控制电路
补充： 反馈的基本概念
（1）什么是反馈？
Ib hie
ic
vbe hrevce
hfeib
hoe vce
内部反馈
外部反馈
将电子系统的输出量（输出电压或输出电流），通过一定 的电路形式，部分或全部作用到输入回路，以影响其输入量 （输入电压或输入电流）的过程，称之为反馈。
（2）反馈放大电路的一般框图
近到一定程度时，鉴相器输出一误差电压，经环路滤波器变
换后控制VCO的频率，使其输出频率变化到ωi ，且两信号的 相位误差为 φ（常数），这时环路锁定。
2、环路的捕捉
从信号的加入到环路锁定以前，称环路的捕捉过程。
捕捉带(Δωp )—— 环路由失锁进入锁定所允许信号频率偏离ωr的最
大值。
3、环路的跟踪
• 环路锁定后，当输入基准信号的频率或相位发生某种变化时， 由于环路的反馈控制作用，压控振荡器的频率和相位将随输入 信号的变化而变化，使压控振荡器的频率与输入信号频率相同
且相位差固定为φ。
跟踪带（同步带） 能够维持环路锁定所允许的最大固有频差|Δωi| ，称为锁
相环路的跟踪带或同步带。
捕捉过程—环路由失锁进入锁定的过程
输入量 净输入量
基本放大电路
输出量
反馈量 反馈网络
反馈放大电路的一般框图
（3）反馈的基本类型
正反馈、负反馈 交流反馈、直流反馈 外部反馈、内部反馈
各种反馈控制电路，就其作用原理而言，都 可看作自动调节系统，它由反馈控制电路(器) 和受控（控制）对象两部分组成。
图中，xi 和 xo分别为反馈控制电路的输入量和输出
掌握锁相调频电路、锁相调频解调电路的原 理：锁相调频电路中调频信号从压控振荡器 端输出端输出；锁相调频解调电路中解调信 号从环路滤波器的输出端输出。
锁相环是一种以消除频率误差为目的的反馈控制电路， 它是利用相位误差去消除频率误差，当电路达到平衡 状态后，尽管存在剩余相位误差，但频率误差可以降 低到零。
Automatic Phase Control，APC 锁相环路(Phase Locked Loop，PLL) 相位负反馈控制系统
Δωi 较小→ud(t) 能顺利通过LF得到 uC(t) →控制VCO→环路锁定
Δωi较大→ ud(t) 通过LF有较大衰减 → uC(t) 较小→经频率牵引过程时间
长→环路锁定
Δωi很大→ ud(t) 不能通过LF产生 uC(t) →VCO不受控→环路失锁
锁相环性能特点
（1）环路在锁定状态下无剩余频差
（2）锁相环有良好的窄带特性 锁相环具有窄带特性，当压控振荡器频率锁定在
输入频率上时，仅位于输入信号频率附近的干扰成分 能以低频干扰的形式进入环路，而绝大多数的干扰会 受到环路低通滤波器的抑制。 （3）良好的跟踪特性
VCO的输出频率可以跟踪输入信号的变化，表现 出良好的跟踪特性。
锁相环路应用：锁相倍频、分频与混频
（2）频率间隔 （4）频率稳定度与准确度
直接频率合成器
目前最广泛应用的是数字锁相频率合成器 一、单环频率合成器
1 . 基本单环频率合成器
分频器
压控振荡器的输出信号先通过分频器进行 N次分频后再送给鉴相器与参考信号进行 比较，当环路锁定后，输出频率f0=Nfi
2 . 带高速前置分频器的锁相频率合成器
自动增益控制（AGC，Automatic Gain Control） 电路：在输入信号幅度变化很大的情况下，使输出信 号幅度保持恒定或仅在较小范围内变化的一种自动控 制电路。
uo A2 (ue )ui
Байду номын сангаас
自动频率控制电路（AFC）: 一种频率反馈控制 系统。控制的是信号的频率。 特点：误差信号是频率，所以稳定时有频差。
▪特性 (t) 0 Kuc (t)
▪在锁相环路中，压控振荡器的输出对鉴相器起作 用的不是瞬时角频率而是它的瞬时相位。
V (t) 0 KV uc (t)
t
t
0 V (t)dt 0t KV 0 uc (t)dt
V (t)＝KV
t
0 uc (t)dt
1 2
KMU U Rm Vm
sin(20t
1 (t )
V
(t))
1 2
K
MU
U Rm Vm
sin(1
(t
)
V
(t
))
通过环路滤波器滤除高频分量
ud
1 2
KMU U Rm Vm sin(1(t) V (t))
Kd sine (t)
鉴相器的数学模型
鉴相器特性 曲线
采用在分频器前增加高速前置分频器M(固定)，如图所示， 其输出频率为fo=MNf
本章总结
了解反馈控制电路的原理和结构： 了解AGC、 AFC、 APC的含义。
掌握锁相环的原理，理解其特点：有相位误 差，无频率误差。
掌握锁相环的电路结构：会画方框图，知道 每一部分的功能。
掌握锁相倍频、分频、混频电路的计算
若采用锁相混频电路则可以实现。将10 M Hz的信号送
给混频器，相当于图中的u2，而1KHz的信号送给鉴相器
相当于u1。因为需要取 f2 +fl ，故压控振荡器无控制电 压时的固有振荡频率必须大于f2，即f0> f2。
当两个频率相差很大的信号进行混频时，用普通混频器 取出其中任何一个分量都十分困难。而用锁相混频电路 却较易于实现。特别是需要输出信号的角频率能跟踪输 人信号的角频率的变化时。锁相混频电路在频率合成和 锁相接收机中得到广泛应用。
锁相环的基本原理
PLL构成 鉴相器(Phase Detector，PD) 环路滤波器(Loop Filter，LF) 压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator，VCO)
压控振荡器受环路滤波器输出电压控制，其输出信 号的振荡频率将发生变化，并反馈到鉴相器。最后 达到相位锁定的稳定状态。
KV p
uc (t)
p = d ，微分算子 dt
VCO的数学模型
VCO频率特性
环路滤波器（低通滤波器）
RC滤波器 无源比例滤波器 有源比例滤波器
1
KF
(s)
uc (s) ud (s)
R
sC 1
1 1
sRC 1 s 1
sC
环路的锁定与跟踪
1、环路的锁定
•没有输入信号时，VCO以自由振荡频率ωo振荡。 • 有输入信号ui(t)时，刚开始 ωi ≠ ωo。当某时刻，ωi 和 ωo 接
压控振荡器及其数学模型
▪电压-频率变换器（有线性控制特性的调频振荡器） 在外加控制电压的作用下，输出信号频率按一定规律变化的振 荡电路。采用压控元件作为频率控制元件。
▪作用——使振荡频率向输入信号的频率靠拢，直至两者的频率 相同，使VCO输出信号的相位和输入信号的相位保持某种关系 ，达到相位锁定的目的。
一、在调制解调技术中的应用
1、锁相调频电路
2、锁相鉴频电路
二、在空间技术上的应用
窄带跟踪滤波器——锁相接收机
第三节 频率合成器
频率合成器是利用一个(或几个)晶体振荡器产生一系列 (或若干个)标准频率信号的装备。
频率合成的方法：直接合成法与间接合成法。
主要技术指标
（1）工作频率范围 （3）频率转换时间 （5）频谱纯度
鉴相器及其相位模型
鉴相器即相位比较器。 比较输入信号的相位和VCO输出信号的相位，其输出
电压与相位差成正比
鉴相器输入信号
uR (t) URm sin[Rt R (t)]
uV (t) UVm cos[0t V (t)]
乘法器输出
KM uR (t)uV (t) KMURm sin[0t 1(t)]UVm cos[0t (t)]
锁相倍频电路
锁相分频电路
锁相混频电路
例 现有两个频率各为10 MHz和1000Hz的标准信号，
需要得到一个频率为10. 001 MHz的信号，应如何实现?
这个问题好像采用一般的混频器就可实现。但是，混频 器除了能产生和频之外，还有差频，即有10. 001 MHz 和9. 999 MHz的两个频率。要求取出10. 001 MHz的 信号并滤去9.999 MHz的信号，对滤波器的相对通频 带和矩形系数的要求太苛刻，非常难于实现。
量，它们之间的关系是根据使用要求予以设定的，设
为 xo = g xi
第一节 概述
高频振荡信号的参数：振幅、频率和相位。 对这三个参数分别进行控制，即自动振幅（增益）控制、
自动频率控制和自动相位控制。 AGC，AFC和APC。
Xo g(XR)
反馈控制电路组成：被控对象和反馈控制器。
VCO(压控振荡器)的输出电压的频率受输入电压 控制
自动相位控制(APC) 是一种相位反馈控制系统。 将参考信号与输出信号间的相位进行比较，产生相位误差 电压来调整输出信号的相位，以达到与参考信号同频的目 的。
特点：锁相环路控制的是信号的相位，即误差信号是
相位，所以稳定时只有相差。
第二节 自动相位控制（锁相环路PLL）