ECL集成電路E12040鑒頻∕鑒相器原理分析

汪杰

摘 要：鑒頻/鑒相技術(shù)廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星、無線通信和廣播電視接收技術(shù)中。本文介紹ECL電路的邏輯功能；及由ECL集成E12040電路構(gòu)成的數(shù)字鑒頻/鑒相器的原理，分析其鑒頻/鑒相的工作過程。

關(guān)鍵詞：ECL電路，鑒頻/鑒相器

ECL集成電路其邏輯功能具有“ 或 ”，“ 或非 ”門電路的邏輯功能，而其完成“ 或 ”，“ 或非 ”邏輯功能的是集成塊中的一個差分放大器。ECL電路的特點，具有速度快、邏輯功能強，扇出能力大等優(yōu)點。

ECL數(shù)字鑒相器，它具有數(shù)字鑒頻∕鑒相功能。其 原理：當(dāng)兩個輸入信號（脈沖序列），分別代表各自的相位。經(jīng)鑒相器比較這兩個脈沖序列的頻率和相位即可得到與頻率和相位差有關(guān)的輸出。因它兼具鑒頻作用，故稱鑒頻∕鑒相器。

為了便于對E12040鑒相器中的邏輯關(guān)系進(jìn)行分析，在此先熟悉一下“或非門”組成的R-S觸發(fā)器邏輯關(guān)系。

由“或非門”組成的R-S觸發(fā)器電路如下圖1-2

其邏輯關(guān)系如下：

S=1 R=0 Q=0 Q=1觸發(fā)器置“1”。

S=0 R=1 Q=1 Q=0觸發(fā)器置“0”。

S=0 R=0 觸發(fā)器狀態(tài)不變。

S=1 R=1 此時破壞了觸發(fā)器的正常工作，不允許這種情況。

這就是由“或非門”組成的R—S觸發(fā)器邏輯關(guān)系。熟悉了“或非門”構(gòu)成的R-S的輸入與輸出的邏輯關(guān)系后，下面對E12040進(jìn)行分析。

E12040的內(nèi)部電路如圖1-3：

由E12040內(nèi)部電路知，E12040鑒相器是由九個“或非門”組成。其中的兩個R-S觸發(fā)器都是由兩個“或非門”構(gòu)成，G1-G3和G2-G4構(gòu)成一個R-S觸發(fā)器。當(dāng)有兩個信號輸入時，則就比較兩輸入脈沖信號的頻率和相位，在輸出端U或D就有相應(yīng)的正脈沖輸出，這輸出的正脈沖電壓就是與頻率和相位相關(guān)的電壓，經(jīng)濾波后去調(diào)節(jié)壓控振蕩器的頻率和相位，使其與輸入信號的頻率和相位同步，環(huán)路即被鎖定。

下面通過兩個信號R和V的頻率fR和fV相同，（但相位QR和QV不同）以及fR和fV不同的兩種情況來進(jìn)一步具體說明E12040鑒頻/鑒相器的工作原理。

根據(jù)電路圖1—3可以看出輸入信號和輸出信號之間有如下的邏輯關(guān)系：

由上面的邏輯關(guān)系，可以看到，如果輸出D、U要為高電平，那么V1、V2、Q1、Q2、V5都必須是低電平，而V1、V2、Q1、Q2為低電平時，V5為高電平，因此我們可以得到這樣一個結(jié)論U、D不能同時為高電平。

為了分析圖1-3的工作原量（這里用正邏輯關(guān)系）設(shè)fR=fv，QR超前于Qv，當(dāng)R、V為低電平“0”V1、V2高電平“1”時，Q1、Q2、V5、U、D均為低電平“0”。當(dāng)信號R為高電平，V為低電平時，V1變?yōu)榈碗娖?，V2保持原來的高電平，Q1、Q2、V5、D的維持原來的低電平，此時，輸出信號U變?yōu)楦唠娖?。?dāng)輸入信號V由低電平變?yōu)楦唠娖剑逸斎胄盘朢的為高電平時，V1的電平的為低電平，V2的電平則由高電平變?yōu)榈碗娖?，V5將產(chǎn)生一個正尖脈沖，使Q1、Q2的電平由低電平變成高電平（在這里沒有考慮G5的延時情況）使得輸出信號U由高電平變?yōu)榈碗娖?，輸出端D的信號器將產(chǎn)生一個正尖永沖，但這一情況，一般都沒有考慮，則D端輸可看成一直保持低電平。當(dāng)輸入信號R由高電平變?yōu)榈碗娖?，同時輸入信號V仍保持高電平時，V1將由低電平變?yōu)楦唠娖?。Q1由高電平變成低電平，V2的狀態(tài)仍保持低電平。Q2的狀態(tài)保持原理未變電平。U、V5、D都維持其原低電平狀態(tài)；當(dāng)V由高電平變?yōu)榈碗娖?，且輸入信號R仍為低電平時，V1仍為高電平，Q1也仍為低電平，V2則由低電平變?yōu)楦唠娖?，Q2則由高電平變?yōu)榈碗娖?。V5、D、U都保持低電平。當(dāng)下一個輸入信號R的脈沖以及相位滯后的另一輸入信號V的脈沖到來后，各點輸出電平和輸出信號UD將重復(fù)上面分析的情況過程。

經(jīng)過分析E12040的邏輯電路，可以得出這樣一個結(jié)論：如果兩輸入信號頻率相等，但信號R的相位超前于輸入信號V，則只有U端才能輸出一串正脈沖，而D端輸出一直是低電平即無輸出。反之，則只有D端才能輸出一串正脈沖，U端則無輸出。

根據(jù)同樣的分析方法，我們可以得到：如果fR>fv時則只有U端才能輸出，而D端無輸出。同樣反之，則只有D端才有輸出，U端則無輸出?，F(xiàn)將輸入信號的相位與輸出狀態(tài)和輸入信號的頻率與輸出狀態(tài)的關(guān)系歸列于下面的表中：

當(dāng)fR=fv ，QR≠Q(mào)V時E12040輸出狀態(tài)如表1-1。

當(dāng)fR≠fv時E12040輸出狀態(tài)如表1-2。

從這兩個表中我們可以一目了然的看出輸入信號的相位或頻率與輸出狀態(tài)的關(guān)系。

現(xiàn)在根據(jù)E12040的原理圖1—3以及輸出信號與輸入信號之間的邏輯關(guān)系，列出此電路的真值表，如表1-3。

表1—3 E12040部份真值表：

此表只是E12040的一部分，并不是完整的真值表，此部分真值表就能測試E12040的全部功能，其中X—表示不確定。

根據(jù)E12040的邏輯關(guān)系或和部分真值表，可以畫出，當(dāng)兩個輸入信號fR=fV，而其相位QR超前QV，和Qv超前于QR的波形圖；以及兩輸入信號的頻率fR>fv和fv>fR情況的波形圖。

上述四種情況的波形圖分別見圖1-4，圖1-5圖1-6和圖1-7。

從圖1-4和圖1-5可以看出，當(dāng)兩個輸入信號的頻率相等，但其相位不同時（即QR>QV或QV>QR）輸出信號脈沖的寬度即U（或D）的寬度，就是兩個輸入信號相位差的大小，即輸出脈沖電壓就是兩輸入信號經(jīng)E12040鑒相后，輸出的與兩輸入信號相關(guān)的誤差電壓。這就是E12040的鑒相原理。

根據(jù)同樣的分板方法，結(jié)合圖1-6和圖1-7，當(dāng)兩個輸入信號頻率不相等時，即fR>fv或fv>fR時輸出信號脈沖的寬度即U或D的寬度與兩個輸入信號頻率差成正比，即當(dāng)兩個輸入信號的頻率差越大時E12040輸出的脈沖寬度就更寬，也就是鑒相器輸出的頻率相關(guān)的誤差，電壓就更大，使環(huán)路的捕捉過程加快，這就是E12040的鑒頻過程。根據(jù)圖1-4至圖1-7我們可以得出這樣一個結(jié)論：當(dāng)兩輸入信號頻率相等時E12040起鑒相作用，且相位超前的那一路的輸出端才有輸出，相人命關(guān)天 滯后的那一輸出端無輸出；當(dāng)兩輸入信號頻率不相等時，E12040鑒頻作用，同時頻率高的那一輸出端才有輸出，頻率低的那一路的輸出端無輸出。這就是E12040的鑒頻原理。

E12040鑒頻/鑒相特性是以E12040輸出的誤差控制電壓V控為縱座標(biāo)，以相位或頻率差為橫軸座標(biāo)（fR為基準(zhǔn)）可得其鑒頻/鑒相特性曲線，如圖1-8所示：

由圖可以看出E12040的線性鑒相范圍是0～±2л內(nèi)，±2л之外是fR>fv和fv>fR飽和到非線性鑒頻區(qū)。由圖1-4到圖1-7可以看出，輸入信號相位（頻率）誤差的大小最終表現(xiàn)為輸出占空比，即輸出脈沖寬度與周期之比不同。

參考文獻(xiàn)：

[1]聶禮通. 射頻鎖相環(huán)中鑒頻鑒相器和電荷泵的設(shè)計[D].東南大學(xué)，2016.

[2]汪偉江. 低電壓低功耗鑒頻鑒相器與電荷泵的設(shè)計[D].東南大學(xué)，2016.