LM567 音調(diào)解碼器/鎖相環(huán) (PLL) 集成電路工作原理

LM567 是一款高度集成的單片音調(diào)解碼器，主要用于檢測(cè)并響應(yīng)特定頻率的輸入信號(hào)。它內(nèi)部包含一個(gè)穩(wěn)壓電源、一個(gè)由電壓控制振蕩器 (VCO) 和鑒相器組成的鎖相環(huán) (PLL)、以及一個(gè)輸出開(kāi)關(guān)晶體管。LM567 因其在頻率檢測(cè)、DTMF（雙音多頻）解碼、遙控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸以及無(wú)線通信等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用而聞名。理解 LM567 的工作原理，關(guān)鍵在于掌握其內(nèi)部鎖相環(huán)（PLL）的運(yùn)作機(jī)制以及輸出級(jí)的控制方式。

1. LM567 概述與核心功能

LM567 的核心功能是識(shí)別并鎖定一個(gè)預(yù)設(shè)的輸入頻率，當(dāng)檢測(cè)到該頻率時(shí)，其輸出端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低電平信號(hào)。其頻率選擇性主要通過(guò)外部連接的電阻和電容來(lái)設(shè)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(dòng)態(tài)范圍，能夠可靠地從嘈雜環(huán)境中提取目標(biāo)頻率信號(hào)。

2. LM567 內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳功能

LM567 通常采用 8 引腳 Mini-DIP 或 SOIC 封裝，每個(gè)引腳都承擔(dān)著特定的功能，共同協(xié)作完成頻率解碼任務(wù)。

• 引腳 1 (Input)：信號(hào)輸入端，接收待解碼的交流信號(hào)。該引腳內(nèi)部連接到一個(gè)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(gè)電容到地，用于濾除輸入信號(hào)中的高頻噪聲，穩(wěn)定輸入信號(hào)。

• 引腳 3 (VCO Output)：壓控振蕩器 (VCO) 的輸出端。這個(gè)引腳提供一個(gè)與 PLL 內(nèi)部頻率同步的方波信號(hào)，可用于外部監(jiān)測(cè)或作為參考。

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

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

• 引腳 6 (Output)：輸出端。當(dāng)輸入頻率與 PLL 鎖定頻率一致時(shí)，此引腳輸出低電平（飽和導(dǎo)通），否則為高阻態(tài)或高電平（具體取決于負(fù)載連接）。這是一個(gè)開(kāi)路集電極輸出，通常需要一個(gè)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(guān)鍵。

3. 鎖相環(huán) (PLL) 工作原理詳解

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

PLL 主要由三個(gè)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(nèi)部的鑒相器采用乘法器或 XOR 門(mén)的形式實(shí)現(xiàn)。它的作用是比較輸入信號(hào)（來(lái)自引腳 1）和 VCO 輸出信號(hào)（來(lái)自引腳 3）的相位差。當(dāng)兩個(gè)信號(hào)的相位不一致時(shí)，鑒相器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)誤差電壓。這個(gè)誤差電壓的大小和極性與兩個(gè)信號(hào)的相位差成正比。

例如，如果輸入信號(hào)超前 VCO 信號(hào)，鑒相器會(huì)輸出一個(gè)正向電壓；如果滯后，則輸出一個(gè)負(fù)向電壓。理想情況下，當(dāng)兩個(gè)信號(hào)頻率和相位完全一致時(shí)，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(chǎn)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(gè)濾除后的電壓就是控制電壓，它直接反饋給 VCO，用于調(diào)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(nèi)部電阻構(gòu)成。該電容的大小決定了 PLL 的環(huán)路帶寬和響應(yīng)速度。較大的電容會(huì)使環(huán)路帶寬變窄，響應(yīng)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(shè)計(jì)對(duì)于 PLL 的穩(wěn)定性、跟蹤速度和捕獲范圍至關(guān)重要。

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

VCO 是 PLL 的關(guān)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(shí)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(jì)算公式大致為：

f0≈RTCT1

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

VCO 接收來(lái)自低通濾波器的控制電壓。當(dāng)控制電壓發(fā)生變化時(shí)，VCO 的振蕩頻率也會(huì)相應(yīng)地改變。例如，如果控制電壓增加，VCO 的頻率會(huì)上升；如果控制電壓減小，VCO 的頻率會(huì)下降。VCO 的這一特性使得 PLL 能夠通過(guò)反饋機(jī)制調(diào)整自身的振蕩頻率，以匹配輸入信號(hào)的頻率。

4. PLL 的“鎖定”過(guò)程

當(dāng) LM567 加電后，VCO 會(huì)以其設(shè)定的中心頻率 f0 開(kāi)始振蕩。如果此時(shí)輸入端沒(méi)有信號(hào)，或者輸入信號(hào)的頻率與 f0 相差較大，PLL 處于非鎖定狀態(tài)。

當(dāng)一個(gè)頻率接近 f0 的輸入信號(hào)施加到引腳 1 時(shí)，鎖定過(guò)程開(kāi)始：

1. 頻率捕獲 (Capture)：鑒相器比較輸入信號(hào)和 VCO 輸出信號(hào)的相位。如果兩者存在頻率或相位差，鑒相器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)誤差電壓。

2. 頻率跟蹤 (Track)：這個(gè)誤差電壓經(jīng)過(guò)低通濾波器后，被施加到 VCO 的控制端，驅(qū)動(dòng) VCO 的頻率向輸入信號(hào)的頻率靠近。

3. 鎖定 (Lock)：這個(gè)過(guò)程持續(xù)進(jìn)行，直到 VCO 的頻率與輸入信號(hào)的頻率趨于一致，并且相位差被限制在一個(gè)很小的范圍內(nèi)。此時(shí)，PLL 達(dá)到鎖定狀態(tài)。在鎖定狀態(tài)下，VCO 的頻率將精確地跟蹤輸入信號(hào)的頻率，即使輸入信號(hào)的頻率在一定范圍內(nèi)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(tài)捕獲并鎖定輸入信號(hào)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(shí)元件的選擇和環(huán)路濾波器的特性有關(guān)。

5. 輸出級(jí)與頻率檢測(cè)

LM567 的輸出端（引腳 6）是一個(gè)開(kāi)路集電極輸出。當(dāng) PLL 成功鎖定到輸入頻率時(shí)，LM567 內(nèi)部的鑒頻器會(huì)檢測(cè)到頻率匹配。此時(shí)，輸出晶體管飽和導(dǎo)通，將引腳 6 拉至接近地電平（低電平）。當(dāng) PLL 未鎖定或輸入頻率與目標(biāo)頻率不匹配時(shí)，輸出晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)，引腳 6 呈現(xiàn)高阻態(tài)。因此，通常需要一個(gè)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(shí)輸出高電平。

LM567 內(nèi)部還有一個(gè)帶隙基準(zhǔn)電壓源和比較器，它們共同作用于輸出級(jí)。當(dāng)輸入信號(hào)的頻率在 VCO 中心頻率的預(yù)設(shè)帶寬內(nèi)時(shí)，鑒相器輸出的直流電壓會(huì)穩(wěn)定在一個(gè)特定范圍，此時(shí)比較器會(huì)觸發(fā)輸出晶體管導(dǎo)通。這個(gè)帶寬被稱(chēng)為“檢測(cè)帶寬”或“帶通寬度”，可以通過(guò)外部連接在引腳 1 和引腳 2 之間的電容來(lái)調(diào)節(jié)。

6. LM567 應(yīng)用案例

LM567 的獨(dú)特性能使其在多種應(yīng)用中扮演著重要角色：

• 音調(diào)解碼器：這是 LM567 最常見(jiàn)的應(yīng)用，例如在電話(huà)系統(tǒng)中解碼 DTMF 音調(diào)，實(shí)現(xiàn)按鍵識(shí)別。

• 遙控系統(tǒng)：用于無(wú)線或有線遙控器中，通過(guò)檢測(cè)特定頻率的音調(diào)信號(hào)來(lái)觸發(fā)相應(yīng)動(dòng)作。

• 數(shù)據(jù)通信：在低速調(diào)制解調(diào)器或數(shù)據(jù)鏈路中，用于頻率移位鍵控 (FSK) 信號(hào)的解調(diào)。

• 頻率檢測(cè)器/監(jiān)測(cè)器：用于工業(yè)控制、自動(dòng)化設(shè)備中，監(jiān)測(cè)某個(gè)特定頻率是否存在或是否在允許范圍內(nèi)。

• 警報(bào)系統(tǒng)：當(dāng)檢測(cè)到某種特定頻率的信號(hào)時(shí)觸發(fā)警報(bào)。

• 雙音多頻 (DTMF) 接收器：結(jié)合多個(gè) LM567 可以實(shí)現(xiàn)完整的 DTMF 接收功能，用于電話(huà)通信和遠(yuǎn)程控制。

7. 設(shè)計(jì)考慮與參數(shù)選擇

成功應(yīng)用 LM567 需要仔細(xì)選擇外部元件的參數(shù)：

7.1 中心頻率設(shè)定 (f0)

如前所述，VCO 的中心頻率由引腳 4 的定時(shí)電阻 RT 和引腳 5 的定時(shí)電容 CT 決定。公式 f0≈RTCT1 是一個(gè)近似值，實(shí)際應(yīng)用中可能需要根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的曲線或更精確的公式進(jìn)行微調(diào)。選擇合適的 RT 和 CT 是確保 LM567 能夠鎖定目標(biāo)頻率的關(guān)鍵。通常建議 RT 的值在 2kΩ 到 20kΩ 之間。

7.2 環(huán)路濾波器設(shè)計(jì) (C2)

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

• 更大的 C2：會(huì)導(dǎo)致更窄的環(huán)路帶寬，捕獲時(shí)間更長(zhǎng)，但抗噪聲能力更強(qiáng)，對(duì)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(yīng)用。

• 更小的 C2：會(huì)導(dǎo)致更寬的環(huán)路帶寬，捕獲時(shí)間更短，但對(duì)噪聲更敏感，更容易出現(xiàn)假鎖或振蕩。適用于需要快速響應(yīng)和更寬捕獲范圍的應(yīng)用。

通常，選擇 C2 時(shí)需要權(quán)衡響應(yīng)速度和抗噪聲能力。一個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則是 C2 的值應(yīng)該遠(yuǎn)大于 VCO 定時(shí)電容 CT。數(shù)據(jù)手冊(cè)會(huì)提供關(guān)于 C2 選擇的指導(dǎo)。

7.3 輸出負(fù)載與上拉電阻

引腳 6 是開(kāi)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(shí)獲得高電平，必須連接一個(gè)外部上拉電阻到正電源。上拉電阻的值取決于后續(xù)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(hào)通常通過(guò)一個(gè)串聯(lián)電容耦合到引腳 1，以阻隔直流分量并設(shè)置合適的交流輸入阻抗。對(duì)于小信號(hào)輸入，LM567 具有良好的靈敏度。然而，過(guò)大的輸入信號(hào)可能會(huì)導(dǎo)致飽和或失真。在某些應(yīng)用中，可能需要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理（如放大或衰減）以滿(mǎn)足 LM567 的輸入要求。

8. LM567 的優(yōu)點(diǎn)與局限性

8.1 優(yōu)點(diǎn)

• 高度集成：?jiǎn)涡酒鉀Q方案，減少了外部元件數(shù)量。

• 易于使用：通過(guò)簡(jiǎn)單的外部電阻和電容即可配置。

• 成本效益：通常價(jià)格低廉，適合批量應(yīng)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(duì)于更高頻率的應(yīng)用，需要選擇其他專(zhuān)用的 PLL 芯片。

• 精度受限：頻率精度受到外部定時(shí)元件容差的影響，對(duì)于高精度應(yīng)用可能需要更復(fù)雜的電路或校準(zhǔn)。

• 單音檢測(cè)：LM567 每次只能檢測(cè)一個(gè)預(yù)設(shè)頻率。對(duì)于多頻率檢測(cè)（如 DTMF），需要多個(gè) LM567 芯片或更復(fù)雜的數(shù)字解碼方案。

• 對(duì)輸入信號(hào)質(zhì)量有一定要求：雖然有噪聲抑制能力，但過(guò)高的噪聲或信號(hào)失真仍可能影響其性能。

9. 總結(jié)

LM567 是一款經(jīng)典的模擬集成電路，其基于鎖相環(huán)的音調(diào)解碼原理使其在各種頻率檢測(cè)和控制應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。通過(guò)理解其內(nèi)部的鑒相器、低通濾波器和壓控振蕩器如何協(xié)同工作以實(shí)現(xiàn)頻率鎖定，以及如何通過(guò)外部元件配置其中心頻率和環(huán)路特性，工程師能夠有效地設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)各種基于 LM567 的應(yīng)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(cè)場(chǎng)景中，LM567 仍然是極具成本效益和可靠性的選擇。隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，許多頻率解碼任務(wù)已逐漸轉(zhuǎn)向數(shù)字領(lǐng)域，但 LM567 作為一款經(jīng)典的模擬 PLL 芯片，其工作原理和應(yīng)用仍然是模擬電路學(xué)習(xí)和實(shí)踐的重要組成部分。