Design of Phase-Locked Loop Circuits With Experiments pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Longman Higher Education

作者:Howard M. Berlin

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:1978-08

价格:USD 19.95

装帧:Paperback

isbn号码:9780672215452

丛书系列:

图书标签:

• 锁相环
• PLL
• 电路设计
• 模拟电路
• 实验
• 通信系统
• 电子工程
• 信号处理
• 反馈控制
• 射频电路

锁定精确：压控振荡器与锁相环的奥秘 本书是一本深入探讨锁相环（Phase-Locked Loop，PLL）电路设计原理及其应用的书籍，旨在为读者提供一套系统而完整的学习框架，从基础概念的引入，到复杂电路的分析与实现，再到实际工程中的应用考量，层层递进，旨在让读者掌握PLL设计的核心技术，并能够独立进行PLL电路的设计与优化。 一、PLL电路基石：理解核心组件 在深入PLL电路设计之前，扎实的理论基础是必不可少的。本书将从最基础的压控振荡器（Voltage-Controlled Oscillator，VCO）和鉴相器（Phase Detector，PD）开始，详细解析它们的构成原理、电气特性以及在PLL系统中的作用。 压控振荡器（VCO）深度解析： 基本原理与拓扑结构： 我们将首先介绍VCO的基本工作原理，即通过改变控制电压来调整振荡频率。随后，将详细剖析几种主流的VCO拓扑结构，包括但不限于： 环形振荡器（Ring Oscillator）： 讲解其基于延迟链的原理，分析延迟单元的设计与选择对频率、功耗和抖动的影响。 LC振荡器（LC Oscillator）： 探讨电感（L）和电容（C）和谐振在频率控制中的作用，分析不同LC振荡器结构的优缺点，以及如何通过改变电容电压来调控频率。 弛豫振荡器（Relaxation Oscillator）： 介绍其利用充放电过程产生振荡的机制，分析其在低频应用中的优势，以及如何选择合适的充放电器件。 RC振荡器（RC Oscillator）： 虽然在频率精度上有所欠缺，但RC振荡器因其简洁和低成本，在某些应用中仍有价值。我们将分析其基本原理和频率稳定性问题。 控制电压与频率关系： 深入研究VCO的控制电压与输出频率之间的非线性关系，即调频斜率（Kvco）。分析影响Kvco的因素，以及如何通过电路设计来获得更优的调频特性。 关键性能指标： 详细阐述VCO的关键性能指标，包括： 中心频率（Center Frequency）： 振荡器在零控制电压下的输出频率。 调频范围（Tuning Range）： 控制电压变化时，VCO能够输出的频率范围。 相位噪声（Phase Noise）： 描述VCO输出信号频率的随机变化，是衡量VCO性能最重要的指标之一。我们将深入分析相位噪声的产生机制（如热噪声、闪烁噪声等），并介绍抑制相位噪声的设计方法。 抖动（Jitter）： 指输出信号的瞬时相位与理想相位之间的时间偏差，与相位噪声密切相关。 功耗（Power Consumption）： 评估VCO的能量效率，尤其是在电池供电的应用中。 调频线性度（Tuning Linearity）： 控制电压与频率之间的线性程度，较高的线性度有助于简化PLL的设计。 实现技术考量： 结合不同的半导体工艺（如CMOS、Bipolar等），分析不同工艺下VCO设计的特点和挑战，以及如何选择合适的器件模型和布局布线技巧来优化性能。 鉴相器（Phase Detector，PD）多样性与选择： 基本原理与功能： PD是PLL的核心组件之一，其作用是将输入参考信号与VCO的反馈信号进行比较，输出一个与相位差成比例的信号，作为VCO的控制信号。 主流PD类型详解： 本书将详细介绍几种常见的PD类型，并分析它们的特点： 异或门鉴相器（XOR Gate PD）： 讲解其工作原理，分析其输出电压与相位差的关系，以及其在方波信号处理中的局限性。 JK触发器鉴相器（JK Flip-Flop PD）： 介绍其如何利用触发器的状态转换来检测相位差，分析其输出特性。 电荷泵鉴相器（Charge Pump PD）： 这是现代PLL设计中最常用的PD类型。我们将深入剖析电荷泵的结构与工作原理，包括其电流源、开关控制等，重点关注其在提高捕获范围、降低相位累积效应方面的优势。 乘法器型鉴相器（Multiplier-Type PD）： 探讨基于乘法原理的鉴相器，分析其在正弦波信号处理中的应用。 PD的关键性能指标： 鉴相灵敏度（Phase Detector Gain，Kp）： 输出电压（或电流）与输入相位差的比例。 捕获范围（Capture Range）： PLL能够锁定输入信号的频率范围，在此范围内，PLL能够从最初的失锁状态进入锁定状态。 跟踪范围（Lock Range）： PLL在锁定状态下能够跟踪的输入信号频率变化范围。 相位误差（Phase Error）： 稳定锁定后，输入信号与反馈信号之间的平均相位差。 输出纹波（Output Ripple）： 指鉴相器输出信号中的高频分量，会影响PLL的稳定性。 PD在不同应用场景下的选择： 根据不同的应用需求，如频率合成、数据恢复、时钟恢复等，分析哪种PD类型更为适合。 二、PLL系统构建：从模块到整体 在理解了VCO和PD这两个基本组件后，我们将进入PLL系统的构建阶段，将这些组件有机地结合起来，形成一个完整的PLL环路。 环路滤波器（Loop Filter，LF）： LF的作用与设计目标： LF是PLL中的一个关键组成部分，它位于PD输出和VCO输入之间，主要作用是滤除PD输出中的高频分量，提供一个平滑的控制电压给VCO，同时决定了PLL的环路带宽、瞬态响应和稳定性。 不同阶数滤波器详解： 一阶滤波器（RC低通滤波器）： 分析其简单结构，以及其在简单PLL应用中的适用性，同时讨论其对PLL性能的限制。 二阶滤波器（PI型滤波器）： 这是最常见也是最重要的一种滤波器。我们将详细分析PI型滤波器的设计，包括比例增益（P）和积分增益（I）对PLL性能的影响。通过调整这两个参数，可以实现对PLL的阻尼系数和环路带宽的精确控制，从而获得良好的瞬态响应和稳定的锁定状态。 三阶及更高阶滤波器： 探讨在某些复杂应用中，可能需要更高阶的滤波器来满足更苛刻的性能要求，并分析其设计上的挑战。 滤波器参数与PLL性能的关系： 深入分析环路滤波器的极点和零点如何影响PLL的自然频率（ωn）和阻尼系数（ζ）。理解这些参数对于预测PLL的稳定性、响应速度和抗干扰能力至关重要。 实际滤波器实现： 讨论如何在模拟电路和数字电路中实现环路滤波器，包括使用运算放大器、电阻、电容以及数字滤波器等。 PLL的闭环分析： 数学模型与传递函数： 建立PLL系统的数学模型，推导出其闭环传递函数。这将为分析PLL的动态性能和稳定性奠定基础。 锁定状态与失锁状态： 详细分析PLL在锁定状态下的行为，即输入信号与反馈信号的相位保持恒定。同时，探讨失锁状态下的情况，以及PLL如何进入锁定状态。 捕获过程与跟踪过程： 分别描述PLL捕获和跟踪输入信号的过程，以及影响这两个过程的因素。 稳定性分析（Bode图、Nyquist图）： 利用经典的控制理论工具，如Bode图和Nyquist图，对PLL系统的稳定性进行严格分析。理解如何通过调整环路滤波器参数来确保PLL系统的稳定工作。 瞬态响应分析： 分析PLL对输入信号阶跃或频率变化的响应速度和超调量，并探讨如何通过优化滤波器设计来改善瞬态性能。 三、PLL设计实践与进阶 掌握了PLL的基本原理和系统分析方法后，本书将进一步引导读者进入实际的设计实践，并探讨一些更高级的主题。 数字PLL（DPLL）与锁相环集成： DPLL的优势与挑战： 探讨数字PLL的设计理念，以及其相比于模拟PLL的优势，如更高的精度、灵活性和可编程性。 数字鉴相器、数字滤波器和数字VCO： 介绍DPLL中各个组件的数字实现方式，包括电荷泵数字模拟转换器（DAC）、数字滤波器（如FIR、IIR滤波器）和数字VCO（如DCO）等。 PLL的集成设计： 讨论如何在集成电路（IC）中实现PLL，包括芯片级的版图设计、器件选择、功耗管理和寄生效应的考虑。 锁相环的应用与实现： 频率合成器（Frequency Synthesizer）： 介绍PLL在频率合成中的关键作用，包括整数分频和分数分频频率合成器。详细讲解其工作原理和设计流程。 时钟数据恢复（Clock and Data Recovery，CDR）： 阐述PLL在高速串行通信中的应用，用于从数据流中提取时钟信号并恢复数据。 时钟生成与整形（Clock Generation and Shaping）： 介绍PLL如何用于生成高精度、低抖动的时钟信号，以及如何整形时钟信号以满足特定的信号完整性要求。 小数分频器（Fractional-N Divider）与PLL的精度提升： 深入探讨小数分频器的原理，以及如何利用它来极大地提高频率合成器的分辨率，实现更精细的频率控制。 锁相环的抖动与相位噪声分析： 再次强调相位噪声和抖动在PLL设计中的重要性，并提供更深入的分析方法，包括时域和频域的抖动分析技术。 实验与仿真： 设计工具介绍： 推荐并介绍常用的电路仿真软件（如SPICE、Cadence等）以及EDA（Electronic Design Automation）工具，帮助读者进行电路设计和仿真验证。 典型实验设计： 提供一系列具有指导意义的实验项目，涵盖VCO的搭建、鉴相器的性能测试、环路滤波器的设计与仿真，以及完整的PLL系统的构建与性能评估。这些实验旨在让读者将理论知识与实践相结合，加深对PLL电路工作原理的理解。 实验结果分析与优化： 指导读者如何分析实验结果，识别潜在问题，并进行电路的优化和改进，以达到预期的性能指标。 总结 本书的目标是使读者成为一名有能力的PLL电路设计者。通过对VCO、PD、LF等核心组件的深入解析，以及对PLL系统闭环分析方法的掌握，读者将能够理解PLL电路的设计精髓。结合实际的实验和仿真指导，读者可以亲自动手实践，将理论知识转化为实际的设计能力，为解决通信、电子系统中的各种时钟和频率相关问题打下坚实基础。本书涵盖了从基础概念到高级应用的全面内容，力求为读者提供一份详实、准确且极具参考价值的设计指南。

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