LM567 音调解码器/锁相环 (PLL) 集成电路工作原理

LM567 是一款高度集成的单片音调解码器，主要用于检测并响应特定频率的输入信号。它内部包含一个稳压电源、一个由电压控制振荡器 (VCO) 和鉴相器组成的锁相环 (PLL)、以及一个输出开关晶体管。LM567 因其在频率检测、DTMF（双音多频）解码、遥控系统、数据传输以及无线通信等领域的广泛应用而闻名。理解 LM567 的工作原理，关键在于掌握其内部锁相环（PLL）的运作机制以及输出级的控制方式。

1. LM567 概述与核心功能

LM567 的核心功能是识别并锁定一个预设的输入频率，当检测到该频率时，其输出端会产生一个低电平信号。其频率选择性主要通过外部连接的电阻和电容来设定，这使得它具有高度的灵活性和可配置性。该芯片在单电源供电下工作，具有良好的噪声抑制能力和宽广的动态范围，能够可靠地从嘈杂环境中提取目标频率信号。

2. LM567 内部结构与引脚功能

LM567 通常采用 8 引脚 Mini-DIP 或 SOIC 封装，每个引脚都承担着特定的功能，共同协作完成频率解码任务。

• 引脚 1 (Input)：信号输入端，接收待解码的交流信号。该引脚内部连接到一个电压跟随器，以提供高输入阻抗。

• 引脚 2 (Input Bypass)：输入旁路电容连接端。通常连接一个电容到地，用于滤除输入信号中的高频噪声，稳定输入信号。

• 引脚 3 (VCO Output)：压控振荡器 (VCO) 的输出端。这个引脚提供一个与 PLL 内部频率同步的方波信号，可用于外部监测或作为参考。

• 引脚 4 (Timing Resistor)：VCO 定时电阻连接端。与引脚 5 和一个外部电容共同决定 VCO 的中心频率。

• 引脚 5 (Timing Capacitor)：VCO 定时电容连接端。与引脚 4 和一个外部电阻共同决定 VCO 的中心频率。

• 引脚 6 (Output)：输出端。当输入频率与 PLL 锁定频率一致时，此引脚输出低电平（饱和导通），否则为高阻态或高电平（具体取决于负载连接）。这是一个开路集电极输出，通常需要一个上拉电阻。

• 引脚 7 (Ground)：接地端。

• 引脚 8 (VCC)：电源正极。通常连接 5V 至 15V 的直流电源。

这些引脚的合理连接和外部元件的选择是 LM567 正常工作的关键。

3. 锁相环 (PLL) 工作原理详解

LM567 的核心在于其内部的锁相环 (PLL) 电路。PLL 是一种反馈控制系统，能够使一个振荡器的频率和相位跟随另一个输入信号的频率和相位。

PLL 主要由三个基本部分组成：鉴相器 (Phase Detector, PD)、低通滤波器 (Low-Pass Filter, LPF) 和压控振荡器 (Voltage-Controlled Oscillator, VCO)。

3.1 鉴相器 (Phase Detector)

LM567 内部的鉴相器采用乘法器或 XOR 门的形式实现。它的作用是比较输入信号（来自引脚 1）和 VCO 输出信号（来自引脚 3）的相位差。当两个信号的相位不一致时，鉴相器会产生一个误差电压。这个误差电压的大小和极性与两个信号的相位差成正比。

例如，如果输入信号超前 VCO 信号，鉴相器会输出一个正向电压；如果滞后，则输出一个负向电压。理想情况下，当两个信号频率和相位完全一致时，鉴相器的平均输出电压为零。

3.2 低通滤波器 (Low-Pass Filter)

鉴相器产生的误差电压通常包含高频成分（差频和和频分量）以及低频或直流分量。低通滤波器的作用是滤除这些高频成分，只保留低频或直流分量。这个滤除后的电压就是控制电压，它直接反馈给 VCO，用于调整 VCO 的振荡频率。

在 LM567 中，低通滤波器通常由外部连接在引脚 2 上的旁路电容和内部电阻构成。该电容的大小决定了 PLL 的环路带宽和响应速度。较大的电容会使环路带宽变窄，响应速度变慢，但能更好地抑制噪声；较小的电容则相反。低通滤波器的设计对于 PLL 的稳定性、跟踪速度和捕获范围至关重要。

3.3 压控振荡器 (Voltage-Controlled Oscillator, VCO)

VCO 是 PLL 的关键组成部分，其振荡频率受控于输入电压。在 LM567 中，VCO 的中心频率（即输入控制电压为零时的振荡频率）由外部连接在引脚 4 和引脚 5 之间的电阻和电容决定。其计算公式大致为：

f0≈RTCT1

其中，RT 是连接在引脚 4 上的定时电阻，而 CT 是连接在引脚 5 上的定时电容。

VCO 接收来自低通滤波器的控制电压。当控制电压发生变化时，VCO 的振荡频率也会相应地改变。例如，如果控制电压增加，VCO 的频率会上升；如果控制电压减小，VCO 的频率会下降。VCO 的这一特性使得 PLL 能够通过反馈机制调整自身的振荡频率，以匹配输入信号的频率。

4. PLL 的“锁定”过程

当 LM567 加电后，VCO 会以其设定的中心频率 f0 开始振荡。如果此时输入端没有信号，或者输入信号的频率与 f0 相差较大，PLL 处于非锁定状态。

当一个频率接近 f0 的输入信号施加到引脚 1 时，锁定过程开始：

1. 频率捕获 (Capture)：鉴相器比较输入信号和 VCO 输出信号的相位。如果两者存在频率或相位差，鉴相器会产生一个误差电压。

2. 频率跟踪 (Track)：这个误差电压经过低通滤波器后，被施加到 VCO 的控制端，驱动 VCO 的频率向输入信号的频率靠近。

3. 锁定 (Lock)：这个过程持续进行，直到 VCO 的频率与输入信号的频率趋于一致，并且相位差被限制在一个很小的范围内。此时，PLL 达到锁定状态。在锁定状态下，VCO 的频率将精确地跟踪输入信号的频率，即使输入信号的频率在一定范围内漂移，PLL 也能保持锁定。

PLL 的“捕获范围”（Capture Range）是指 PLL 能够从非锁定状态捕获并锁定输入信号的频率范围。而“跟踪范围”（Tracking Range 或 Lock Range）是指一旦 PLL 锁定后，它能够保持锁定的频率范围。通常，跟踪范围大于捕获范围。LM567 的捕获范围和跟踪范围都与外部定时元件的选择和环路滤波器的特性有关。

5. 输出级与频率检测

LM567 的输出端（引脚 6）是一个开路集电极输出。当 PLL 成功锁定到输入频率时，LM567 内部的鉴频器会检测到频率匹配。此时，输出晶体管饱和导通，将引脚 6 拉至接近地电平（低电平）。当 PLL 未锁定或输入频率与目标频率不匹配时，输出晶体管处于截止状态，引脚 6 呈现高阻态。因此，通常需要一个外部上拉电阻将引脚 6 连接到电源电压，以便在输出晶体管截止时输出高电平。

LM567 内部还有一个带隙基准电压源和比较器，它们共同作用于输出级。当输入信号的频率在 VCO 中心频率的预设带宽内时，鉴相器输出的直流电压会稳定在一个特定范围，此时比较器会触发输出晶体管导通。这个带宽被称为“检测带宽”或“带通宽度”，可以通过外部连接在引脚 1 和引脚 2 之间的电容来调节。

6. LM567 应用案例

LM567 的独特性能使其在多种应用中扮演着重要角色：

• 音调解码器：这是 LM567 最常见的应用，例如在电话系统中解码 DTMF 音调，实现按键识别。

• 遥控系统：用于无线或有线遥控器中，通过检测特定频率的音调信号来触发相应动作。

• 数据通信：在低速调制解调器或数据链路中，用于频率移位键控 (FSK) 信号的解调。

• 频率检测器/监测器：用于工业控制、自动化设备中，监测某个特定频率是否存在或是否在允许范围内。

• 警报系统：当检测到某种特定频率的信号时触发警报。

• 双音多频 (DTMF) 接收器：结合多个 LM567 可以实现完整的 DTMF 接收功能，用于电话通信和远程控制。

7. 设计考虑与参数选择

成功应用 LM567 需要仔细选择外部元件的参数：

7.1 中心频率设定 (f0)

如前所述，VCO 的中心频率由引脚 4 的定时电阻 RT 和引脚 5 的定时电容 CT 决定。公式 f0≈RTCT1 是一个近似值，实际应用中可能需要根据数据手册提供的曲线或更精确的公式进行微调。选择合适的 RT 和 CT 是确保 LM567 能够锁定目标频率的关键。通常建议 RT 的值在 2kΩ 到 20kΩ 之间。

7.2 环路滤波器设计 (C2)

连接在引脚 2 (Input Bypass) 上的电容 C2（通常称为环路滤波器电容）对 PLL 的性能有着显著影响。它决定了 PLL 的环路带宽、捕获时间、跟踪能力以及对噪声的抑制能力。

• 更大的 C2：会导致更窄的环路带宽，捕获时间更长，但抗噪声能力更强，对输入频率的变化更不敏感。适用于需要更高频率选择性和更好噪声抑制的应用。

• 更小的 C2：会导致更宽的环路带宽，捕获时间更短，但对噪声更敏感，更容易出现假锁或振荡。适用于需要快速响应和更宽捕获范围的应用。

通常，选择 C2 时需要权衡响应速度和抗噪声能力。一个经验法则是 C2 的值应该远大于 VCO 定时电容 CT。数据手册会提供关于 C2 选择的指导。

7.3 输出负载与上拉电阻

引脚 6 是开路集电极输出，这意味着它只能吸收电流，而不能源出电流。因此，为了在输出晶体管截止时获得高电平，必须连接一个外部上拉电阻到正电源。上拉电阻的值取决于后续电路的输入电流需求和电源电压。

7.4 输入耦合与偏置

输入信号通常通过一个串联电容耦合到引脚 1，以阻隔直流分量并设置合适的交流输入阻抗。对于小信号输入，LM567 具有良好的灵敏度。然而，过大的输入信号可能会导致饱和或失真。在某些应用中，可能需要对输入信号进行预处理（如放大或衰减）以满足 LM567 的输入要求。

8. LM567 的优点与局限性

8.1 优点

• 高度集成：单芯片解决方案，减少了外部元件数量。

• 易于使用：通过简单的外部电阻和电容即可配置。

• 成本效益：通常价格低廉，适合批量应用。

• 良好的噪声抑制：PLL 本身具有一定的噪声抑制能力。

• 宽电源电压范围：通常支持 5V 至 15V 的单电源供电。

8.2 局限性

• 频率范围有限：虽然可配置，但 LM567 的工作频率范围通常限制在几十赫兹到几百千赫兹之间。对于更高频率的应用，需要选择其他专用的 PLL 芯片。

• 精度受限：频率精度受到外部定时元件容差的影响，对于高精度应用可能需要更复杂的电路或校准。

• 单音检测：LM567 每次只能检测一个预设频率。对于多频率检测（如 DTMF），需要多个 LM567 芯片或更复杂的数字解码方案。

• 对输入信号质量有一定要求：虽然有噪声抑制能力，但过高的噪声或信号失真仍可能影响其性能。

9. 总结

LM567 是一款经典的模拟集成电路，其基于锁相环的音调解码原理使其在各种频率检测和控制应用中发挥着重要作用。通过理解其内部的鉴相器、低通滤波器和压控振荡器如何协同工作以实现频率锁定，以及如何通过外部元件配置其中心频率和环路特性，工程师能够有效地设计和实现各种基于 LM567 的应用电路。尽管其存在一定的局限性，但在许多中低频率的单音检测场景中，LM567 仍然是极具成本效益和可靠性的选择。随着数字信号处理技术的发展，许多频率解码任务已逐渐转向数字领域，但 LM567 作为一款经典的模拟 PLL 芯片，其工作原理和应用仍然是模拟电路学习和实践的重要组成部分。