LM567 音調解碼器/鎖相環 (PLL) 集成電路工作原理

LM567 是一款高度集成的單片音調解碼器，主要用于檢測并響應特定頻率的輸入信號。它內部包含一個穩壓電源、一個由電壓控制振蕩器 (VCO) 和鑒相器組成的鎖相環 (PLL)、以及一個輸出開關晶體管。LM567 因其在頻率檢測、DTMF（雙音多頻）解碼、遙控系統、數據傳輸以及無線通信等領域的廣泛應用而聞名。理解 LM567 的工作原理，關鍵在于掌握其內部鎖相環（PLL）的運作機制以及輸出級的控制方式。

1. LM567 概述與核心功能

LM567 的核心功能是識別并鎖定一個預設的輸入頻率，當檢測到該頻率時，其輸出端會產生一個低電平信號。其頻率選擇性主要通過外部連接的電阻和電容來設定，這使得它具有高度的靈活性和可配置性。該芯片在單電源供電下工作，具有良好的噪聲抑制能力和寬廣的動態范圍，能夠可靠地從嘈雜環境中提取目標頻率信號。

2. LM567 內部結構與引腳功能

LM567 通常采用 8 引腳 Mini-DIP 或 SOIC 封裝，每個引腳都承擔著特定的功能，共同協作完成頻率解碼任務。

• 引腳 1 (Input)：信號輸入端，接收待解碼的交流信號。該引腳內部連接到一個電壓跟隨器，以提供高輸入阻抗。

• 引腳 2 (Input Bypass)：輸入旁路電容連接端。通常連接一個電容到地，用于濾除輸入信號中的高頻噪聲，穩定輸入信號。

• 引腳 3 (VCO Output)：壓控振蕩器 (VCO) 的輸出端。這個引腳提供一個與 PLL 內部頻率同步的方波信號，可用于外部監測或作為參考。

• 引腳 4 (Timing Resistor)：VCO 定時電阻連接端。與引腳 5 和一個外部電容共同決定 VCO 的中心頻率。

• 引腳 5 (Timing Capacitor)：VCO 定時電容連接端。與引腳 4 和一個外部電阻共同決定 VCO 的中心頻率。

• 引腳 6 (Output)：輸出端。當輸入頻率與 PLL 鎖定頻率一致時，此引腳輸出低電平（飽和導通），否則為高阻態或高電平（具體取決于負載連接）。這是一個開路集電極輸出，通常需要一個上拉電阻。

• 引腳 7 (Ground)：接地端。

• 引腳 8 (VCC)：電源正極。通常連接 5V 至 15V 的直流電源。

這些引腳的合理連接和外部元件的選擇是 LM567 正常工作的關鍵。

3. 鎖相環 (PLL) 工作原理詳解

LM567 的核心在于其內部的鎖相環 (PLL) 電路。PLL 是一種反饋控制系統，能夠使一個振蕩器的頻率和相位跟隨另一個輸入信號的頻率和相位。

PLL 主要由三個基本部分組成：鑒相器 (Phase Detector, PD)、低通濾波器 (Low-Pass Filter, LPF) 和壓控振蕩器 (Voltage-Controlled Oscillator, VCO)。

3.1 鑒相器 (Phase Detector)

LM567 內部的鑒相器采用乘法器或 XOR 門的形式實現。它的作用是比較輸入信號（來自引腳 1）和 VCO 輸出信號（來自引腳 3）的相位差。當兩個信號的相位不一致時，鑒相器會產生一個誤差電壓。這個誤差電壓的大小和極性與兩個信號的相位差成正比。

例如，如果輸入信號超前 VCO 信號，鑒相器會輸出一個正向電壓；如果滯后，則輸出一個負向電壓。理想情況下，當兩個信號頻率和相位完全一致時，鑒相器的平均輸出電壓為零。

3.2 低通濾波器 (Low-Pass Filter)

鑒相器產生的誤差電壓通常包含高頻成分（差頻和和頻分量）以及低頻或直流分量。低通濾波器的作用是濾除這些高頻成分，只保留低頻或直流分量。這個濾除后的電壓就是控制電壓，它直接反饋給 VCO，用于調整 VCO 的振蕩頻率。

在 LM567 中，低通濾波器通常由外部連接在引腳 2 上的旁路電容和內部電阻構成。該電容的大小決定了 PLL 的環路帶寬和響應速度。較大的電容會使環路帶寬變窄，響應速度變慢，但能更好地抑制噪聲；較小的電容則相反。低通濾波器的設計對于 PLL 的穩定性、跟蹤速度和捕獲范圍至關重要。

3.3 壓控振蕩器 (Voltage-Controlled Oscillator, VCO)

VCO 是 PLL 的關鍵組成部分，其振蕩頻率受控于輸入電壓。在 LM567 中，VCO 的中心頻率（即輸入控制電壓為零時的振蕩頻率）由外部連接在引腳 4 和引腳 5 之間的電阻和電容決定。其計算公式大致為：

f0≈RTCT1

其中，RT 是連接在引腳 4 上的定時電阻，而 CT 是連接在引腳 5 上的定時電容。

VCO 接收來自低通濾波器的控制電壓。當控制電壓發生變化時，VCO 的振蕩頻率也會相應地改變。例如，如果控制電壓增加，VCO 的頻率會上升；如果控制電壓減小，VCO 的頻率會下降。VCO 的這一特性使得 PLL 能夠通過反饋機制調整自身的振蕩頻率，以匹配輸入信號的頻率。

4. PLL 的“鎖定”過程

當 LM567 加電后，VCO 會以其設定的中心頻率 f0 開始振蕩。如果此時輸入端沒有信號，或者輸入信號的頻率與 f0 相差較大，PLL 處于非鎖定狀態。

當一個頻率接近 f0 的輸入信號施加到引腳 1 時，鎖定過程開始：

1. 頻率捕獲 (Capture)：鑒相器比較輸入信號和 VCO 輸出信號的相位。如果兩者存在頻率或相位差，鑒相器會產生一個誤差電壓。

2. 頻率跟蹤 (Track)：這個誤差電壓經過低通濾波器后，被施加到 VCO 的控制端，驅動 VCO 的頻率向輸入信號的頻率靠近。

3. 鎖定 (Lock)：這個過程持續進行，直到 VCO 的頻率與輸入信號的頻率趨于一致，并且相位差被限制在一個很小的范圍內。此時，PLL 達到鎖定狀態。在鎖定狀態下，VCO 的頻率將精確地跟蹤輸入信號的頻率，即使輸入信號的頻率在一定范圍內漂移，PLL 也能保持鎖定。

PLL 的“捕獲范圍”（Capture Range）是指 PLL 能夠從非鎖定狀態捕獲并鎖定輸入信號的頻率范圍。而“跟蹤范圍”（Tracking Range 或 Lock Range）是指一旦 PLL 鎖定后，它能夠保持鎖定的頻率范圍。通常，跟蹤范圍大于捕獲范圍。LM567 的捕獲范圍和跟蹤范圍都與外部定時元件的選擇和環路濾波器的特性有關。

5. 輸出級與頻率檢測

LM567 的輸出端（引腳 6）是一個開路集電極輸出。當 PLL 成功鎖定到輸入頻率時，LM567 內部的鑒頻器會檢測到頻率匹配。此時，輸出晶體管飽和導通，將引腳 6 拉至接近地電平（低電平）。當 PLL 未鎖定或輸入頻率與目標頻率不匹配時，輸出晶體管處于截止狀態，引腳 6 呈現高阻態。因此，通常需要一個外部上拉電阻將引腳 6 連接到電源電壓，以便在輸出晶體管截止時輸出高電平。

LM567 內部還有一個帶隙基準電壓源和比較器，它們共同作用于輸出級。當輸入信號的頻率在 VCO 中心頻率的預設帶寬內時，鑒相器輸出的直流電壓會穩定在一個特定范圍，此時比較器會觸發輸出晶體管導通。這個帶寬被稱為“檢測帶寬”或“帶通寬度”，可以通過外部連接在引腳 1 和引腳 2 之間的電容來調節。

6. LM567 應用案例

LM567 的獨特性能使其在多種應用中扮演著重要角色：

• 音調解碼器：這是 LM567 最常見的應用，例如在電話系統中解碼 DTMF 音調，實現按鍵識別。

• 遙控系統：用于無線或有線遙控器中，通過檢測特定頻率的音調信號來觸發相應動作。

• 數據通信：在低速調制解調器或數據鏈路中，用于頻率移位鍵控 (FSK) 信號的解調。

• 頻率檢測器/監測器：用于工業控制、自動化設備中，監測某個特定頻率是否存在或是否在允許范圍內。

• 警報系統：當檢測到某種特定頻率的信號時觸發警報。

• 雙音多頻 (DTMF) 接收器：結合多個 LM567 可以實現完整的 DTMF 接收功能，用于電話通信和遠程控制。

7. 設計考慮與參數選擇

成功應用 LM567 需要仔細選擇外部元件的參數：

7.1 中心頻率設定 (f0)

如前所述，VCO 的中心頻率由引腳 4 的定時電阻 RT 和引腳 5 的定時電容 CT 決定。公式 f0≈RTCT1 是一個近似值，實際應用中可能需要根據數據手冊提供的曲線或更精確的公式進行微調。選擇合適的 RT 和 CT 是確保 LM567 能夠鎖定目標頻率的關鍵。通常建議 RT 的值在 2kΩ 到 20kΩ 之間。

7.2 環路濾波器設計 (C2)

連接在引腳 2 (Input Bypass) 上的電容 C2（通常稱為環路濾波器電容）對 PLL 的性能有著顯著影響。它決定了 PLL 的環路帶寬、捕獲時間、跟蹤能力以及對噪聲的抑制能力。

• 更大的 C2：會導致更窄的環路帶寬，捕獲時間更長，但抗噪聲能力更強，對輸入頻率的變化更不敏感。適用于需要更高頻率選擇性和更好噪聲抑制的應用。

• 更小的 C2：會導致更寬的環路帶寬，捕獲時間更短，但對噪聲更敏感，更容易出現假鎖或振蕩。適用于需要快速響應和更寬捕獲范圍的應用。

通常，選擇 C2 時需要權衡響應速度和抗噪聲能力。一個經驗法則是 C2 的值應該遠大于 VCO 定時電容 CT。數據手冊會提供關于 C2 選擇的指導。

7.3 輸出負載與上拉電阻

引腳 6 是開路集電極輸出，這意味著它只能吸收電流，而不能源出電流。因此，為了在輸出晶體管截止時獲得高電平，必須連接一個外部上拉電阻到正電源。上拉電阻的值取決于后續電路的輸入電流需求和電源電壓。

7.4 輸入耦合與偏置

輸入信號通常通過一個串聯電容耦合到引腳 1，以阻隔直流分量并設置合適的交流輸入阻抗。對于小信號輸入，LM567 具有良好的靈敏度。然而，過大的輸入信號可能會導致飽和或失真。在某些應用中，可能需要對輸入信號進行預處理（如放大或衰減）以滿足 LM567 的輸入要求。

8. LM567 的優點與局限性

8.1 優點

• 高度集成：單芯片解決方案，減少了外部元件數量。

• 易于使用：通過簡單的外部電阻和電容即可配置。

• 成本效益：通常價格低廉，適合批量應用。

• 良好的噪聲抑制：PLL 本身具有一定的噪聲抑制能力。

• 寬電源電壓范圍：通常支持 5V 至 15V 的單電源供電。

8.2 局限性

• 頻率范圍有限：雖然可配置，但 LM567 的工作頻率范圍通常限制在幾十赫茲到幾百千赫茲之間。對于更高頻率的應用，需要選擇其他專用的 PLL 芯片。

• 精度受限：頻率精度受到外部定時元件容差的影響，對于高精度應用可能需要更復雜的電路或校準。

• 單音檢測：LM567 每次只能檢測一個預設頻率。對于多頻率檢測（如 DTMF），需要多個 LM567 芯片或更復雜的數字解碼方案。

• 對輸入信號質量有一定要求：雖然有噪聲抑制能力，但過高的噪聲或信號失真仍可能影響其性能。

9. 總結

LM567 是一款經典的模擬集成電路，其基于鎖相環的音調解碼原理使其在各種頻率檢測和控制應用中發揮著重要作用。通過理解其內部的鑒相器、低通濾波器和壓控振蕩器如何協同工作以實現頻率鎖定，以及如何通過外部元件配置其中心頻率和環路特性，工程師能夠有效地設計和實現各種基于 LM567 的應用電路。盡管其存在一定的局限性，但在許多中低頻率的單音檢測場景中，LM567 仍然是極具成本效益和可靠性的選擇。隨著數字信號處理技術的發展，許多頻率解碼任務已逐漸轉向數字領域，但 LM567 作為一款經典的模擬 PLL 芯片，其工作原理和應用仍然是模擬電路學習和實踐的重要組成部分。