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鉴相器

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四种鉴相器。信号流从左至右。左上是吉尔伯特单元英语Gilbert cell,适合于正弦波方波,但对于脉冲效果不好。在方波的情况下,它用作一个异或门,也可由与非门构成。中间左侧是2个鉴相器:增加了反馈并移除了一个与非门就做成了时间频率检测器。延迟线避免了死区。右边是一个电荷泵,它的输出有一个过滤器。

鉴相器是一个混频器模拟乘法器逻辑电路,它的输出是表示两个输入信号的相差信息的电压信号。鉴相器是锁相环PLL)电路的一个关键部件。

相差检测在多种应用中均具有重要的作用,如电机控制,雷达通信系统,伺服系统以及解调器等。

类型[编辑]

锁相环电路的鉴相器可分为2种类型。[1] I型鉴相器被设计为由模拟信号或方波数字信号驱动,产生差频输出脉冲。I型鉴相器总是产生一个输出波形,必须进行滤波来控制锁相环壓控振盪器VCO)。II型鉴频器只对输入和参考脉冲的边缘的相对时间敏感,当两个信号都处于同一频率时,产生一个正比于相位差的恒定输出。在VCO的控制电压内此输出将不会产生纹波。

模拟鉴相器[编辑]

鉴相器需要计算其两路输入信号的相位差。令 α 为第一个输入的相位,β 为第二个的相位。实际输入到鉴相器的信号其实不是 α 和 β,而是如同 sin(α) 和 cos(β) 的正弦波。在一般情况下,计算相位差会涉及到计算每个归一化的反正弦和反余弦(以得到不断增加的相位),并做减法。这样的模拟计算是困难的。幸运的是,可以通过使用一些近似简化计算。

假定相位差很小(例如小于1弧度)。正弦函数和正弦角加法公式小角度逼近英语small-angle approximation得出:

该表达式表明,通过将两个乘法器的输出相加可以做出正交相位检测器。正交信号可以用相移网络产生。乘法器的两个常见的实现是双平衡混频器(二极管环形)和四象限乘法器(吉尔伯特单元)。

更常见的鉴相器不使用2个乘法器,而用了一个乘法器和另一个三角恒等式:

第一项给出了所求的相位差。第二项是参考频率两倍的正弦波,因此可以滤掉。对于一般波形的情况,鉴相器的输出可以用鉴相器特征英语phase detector characteristic来描述。

由于不会在鉴相器输出中产生有限脉冲宽度,基于混频器的鉴相器(例如基于肖特基二极管的双平衡混频器)可以提供「the ultimate in phase noise floor performance」与「in system sensitivity」。[2] 基于混频器的鉴相器的另一个好处是相对比较简单。[2] 正交和简单乘法器鉴相器的输出由输入振幅和相位差共同决定。在实际中,输入振幅是归一化的。

参考文献[编辑]

  1. ^ Paul Horowitz and Winfield Hill, The Art of Electronics 2nd Ed. Cambridge University Press, Cambridge, 1989 ISBN 0-521-37095-7 pg. 644
  2. ^ 2.0 2.1 Crawford 1994,第9, 19页
  • Crawford, James A., Frequency Synthesizer Design Handbook, Artech House, 1994, ISBN 0-89006-440-7 
  • Wolaver, Dan H., Phase-Locked Loop Circuit Design, Prentice Hall, 1991, ISBN 0-13-662743-9