CD4046 德州儀器 – 時鐘/定時

提煉

CD4046 是德州儀器 (TI) 製造的 CMOS 微功耗鎖相環 (PLL) 積體電路 (IC)。

摘要

CD4046 是德州仪器制造的 CMOS 微功率锁相环 (PLL) 集成电路 (IC)。CD4046 于 20 世纪 70 年代推出，因其在频率合成、调制和电机速度控制等需要锁相环功能的各种应用中的多功能性而备受瞩目。该芯片内置压控振荡器 (VCO) 和多个相位比较器，可实现信号相位和频率的精确控制和同步。从历史上看，CD4046 和类似 PLL 系统的开发主要是出于对大范围快速频率变化的需求，尤其是在通信接收器中。这些系统通常结合混频器和 PLL 来实现快速调谐功能，从而突出了锁相环在现代电子技术中的重要性。Floyd M. Gardner 等专家对锁相环的设计和理解产生了重大影响，他们强调需要先进的控制系统和滤波器来确保有效运行。CD4046 的主要规格包括 3 至 15 伏的电源电压范围、-55°C 至 125°C 的工作温度范围以及用于电源调节的 5.2-V 齐纳二极管。该集成电路有多种封装类型可供选择，以满足不同的设计需求，它还具有 VCO 抑制功能，从而提高了其在精密应用中的实用性。CD4046 外形小巧，适合集成到狭小的空间中，这进一步增加了它在商业和业余爱好者项目中的吸引力。尽管 CD4046 用途广泛，优点众多，但它也有局限性。用户在设计时必须注意去耦、上拉或下拉等要求，并适当选择环路滤波器元件，以避免出现升压时间过慢或不稳定等问题。此外，制造商在实现类似集成电路（如 74HC4046）时的差异也会影响性能，因此有必要进行仔细调整。尽管如此，CD4046 仍然是电子电路设计领域中常用的重要元件。

历史

早在上世纪 70 年代，接收机需要在很宽的频率范围内快速改变频率。为了满足这一需求，当时采用了混频器和锁相环 (PLL) 的组合，而不是依赖单一的 PLL

.这些系统相当复杂，有时甚至使用数字存储和恢复自动增益控制 (AGC) 来达到所需的速度。对 PLL 的设计和理解在很大程度上要归功于像 Floyd M. Gardner 这样的专家，他是这一领域举足轻重的人物。加德纳强调，2 类 PLL 必须至少具有二阶传递函数，这在使用标准相频检测器 (PFD) 时通常需要有源环路控制器或滤波器。然而，当采用电荷泵式 PFD 时，无源滤波器就足够了，如 sourcecharge 的原理图和 G0HZU 提到的"'后 PFD'电流汇/源电路 "所示。除了这些技术上的进步，20 世纪 70 年代还出现了来自行业专家的教育贡献。例如，利奥-泰勒（Leo Taylor）在此期间对作者对音频电路的理解产生了重大影响。这些基础教学以及与比尔-埃普勒（Bill Eppler）和朱莉娅-特鲁赫塞斯（Julia Truchsess）等导师的持续合作，促进了各种现代电子项目的发展，包括无效测试仪和吉他控制合成器。因此，CD4046 和相关技术的发展史浓缩了创新设计解决方案和教育指导的融合，推动了 20 世纪 70 年代至今电子电路设计的进步。

規格

CD4046 是德州仪器制造的 CMOS 微功率锁相环。该集成电路专为需要锁相环 (PLL) 功能的各种应用而设计。

功能和引脚

CD4046 具有多项关键特性，适用于各种应用。值得注意的是，它包含一个 5.2 V 齐纳二极管，用于在需要时调节电源

.CD4046 的引脚布局对于了解其功能至关重要。VSS 表示接地电压，VDD 表示电源电压。提供每个引脚的配置是为了帮助用户了解与芯片上每个引脚相关的主要功能。

绝对最大额定值

必须遵守 CD4046 的绝对最大额定值，以免损坏设备。直流电源电压范围为 -0.5 至 18 伏，但建议将直流电源保持在 3 至 15 伏之间，以获得最佳性能。建议的工作温度范围为 -55°C 至 125°C。

尺寸

CD4046 结构紧凑，非常适合在狭小的空间内使用。尺寸以英寸和毫米为单位，既准确又方便

應用領域

德州仪器公司的 CD4046 是一款多用途集成电路，具有灵活的锁相环 (PLL) 功能和压控振荡器 (VCO)，可应用于各个领域。

信号生成

CD4046 广泛应用于音乐合成器、测试仪器和其他需要产生变频信号的应用中。由于内置了 VCO，CD4046 可以产生由输入电压控制频率的输出信号，从而可以在各种情况下根据需要进行动态调整

相位检测

CD4046 的关键功能之一是相位检测。它可以检测两个信号之间的相位差，这在电子控制系统和光学对准系统中非常重要。在这些应用中，相位同步对于确保系统的不同组件协调运行至关重要。

频率跟踪

CD4046 还可用于频率跟踪应用，监测输入信号的频率变化，并产生与这些变化成比例的输出信号。这一功能有利于频率控制应用，即使输入信号发生波动，也能确保系统保持在所需的运行参数范围内。

在通信系统中的历史应用

20 世纪 70 年代，某些接收器，尤其是通信系统中的接收器，必须具备大范围的快速频率变化能力。包括 CD4046 在内的多个 PLL 被用来实现这一功能。这些系统通常包括混频器和 PLL，以执行所需的任务，有时甚至采用自动增益控制 (AGC) 的数字存储和恢复机制，以达到必要的速度。

电路仿真和测试

CD4046 经常用于电路仿真和测试场合。例如，在 LTspice 仿真中，普通的 2N3904 晶体管可与 CD4046 并用，以生成电压控制滤波器的对数结果，但在实际电路中，双 NPN 晶体管是线性度更好的首选。

电压控制滤波器

CD4046 的功能扩展到合成器和其他信号处理应用中使用的压控滤波器。正如德州仪器应用说明 AN-30 中所述，这种电路调整通过保持相关晶体管的温度条件一致，确保压控滤波器高效、准确地运行。

包裝

该集成电路的 CD4046B 变体采用不同的封装类型，以满足各种需求。这些封装类型包括 16 引线全封闭双列直插式陶瓷封装（后缀 F3A）、16 引线双列直插式塑料封装（后缀 E）、16 引线小外形封装（后缀 NSR）和 16 引线薄收缩小外形封装（后缀 PW 和 PWR）。

性能和兼容性

CD4046 的内部压控振荡器 (VCO) 具有通过引脚 5 控制的抑制功能。相位比较器 1 包含一个排他性 OR 门。XOR 门的输出（引脚 2）直接连接到抑制引脚（引脚 5），从而将 XOR 门配置为反相缓冲器。

.CD4046 集成电路根据其 VCO 线性规格与各种设计具有不同程度的兼容性。飞兆的 CD4046 和摩托罗拉的 MC14046 等品牌更容易调谐，也更稳定。

功能性

CD4046 是一款多功能集成电路 (IC)，常用于锁相环 (PLL) 应用。CD4046 中的 PLL 配置由几个关键元件组成：一个相位检测器、一个压控振荡器 (VCO) 和一个环路滤波器。

相位检测器部分

相位检测器是 PLL 的关键部件，负责比较输入信号与 VCO 的相位。CD4046 具有多个子电路和模型，用于模拟相位检测器和相关组件的行为。其中包括各种逻辑门，如 NAND、XOR、D 型触发器、AND、BUFA、ANDA、DLYLINE 和 BUFB，每个逻辑门都配置了特定的时序和参数，以进行精确仿真。

.该部分产生的信号与输入信号和参考信号之间的相位差成比例，然后通过环路滤波器滤除不需要的信号。

压控振荡器 (VCO)

CD4046 中的 VCO 负责产生输出信号，其频率由输入电压控制。VCO 部分包括用于控制振荡频率的电阻器、电压倍增器和开关等各种元件。例如，模型 "swt "表示电压控制开关，用于模拟电路中的开关行为

.相位检测器产生的误差信号被施加到 VCO 的输入端，VCO 将调整其频率以匹配输入信号的频率 .

时间模型和刺激源

准确的定时对 CD4046 的正常运行至关重要。各种子电路，如 NAND_TIMING、DFF1_TIMING 和 BUFA_TIMING，都配置了特定的定时参数，以准确复制相应逻辑元件的行为。

.此外，一个名为 "Ureset "的刺激源产生一个用于模拟的复位信号，在 2 纳秒后从初始值 0 切换到 1，并在此后保持这一状态。

实际应用

在过去几十年中，CD4046 在众多项目中得到广泛应用，这主要归功于其出色的相位比较器部分

.它通常用于调谐现代接收器，如手机、AM/FM 接收器、通信接收器和电视机，其中本地振荡器和接收器均采用 PLL 配置进行调谐。此外，它还可用于制造压控振荡器（VCO），以产生各种数字电路所需的时钟信号。

性能参数

CD4046 的性能参数包括影响其在各种应用中的运行和有效性的几个关键因素。关键参数包括锁定时间、分频器噪声、相频检波器 (PFD) 频率、DM 预分频器比率、合成步长、参考边带电平和 VCO 噪声。要在宽调谐范围内实现最佳性能，平衡这些因素至关重要

锁定时间和除法器噪声

在设计使用 CD4046 的系统时，锁定时间和分频器噪声是至关重要的考虑因素。正确调整环路滤波器元件（如电容器和电阻器）对于最大限度地减少噪声和实现快速锁定时间非常必要。配置不当会导致性能不理想，包括振荡器升速缓慢或无法锁定信号。

PFD 频率和 DM 预分频器比率

PFD 频率和 DM 预分频器比率对于保持相位关系和实现精确的频率合成至关重要。需要对 DM 预分频器比率以及相关的设置延迟时间进行仔细管理，以避免引入额外噪声并确保稳定运行。

.此外，相位比较器对周期的要求也不尽相同，这会影响整体调谐精度和稳定性。

合成步长和参考边带电平

合成步长和参考边带电平会影响生成频率的精度和纯度。仔细调整这些参数可确保 VCO 正常工作，而不会引入过多的边带噪声。实现适当的平衡可使不同输入频率和分频比的性能保持一致

VCO 噪声和线性度

VCO 噪音和线性度是影响整体信号质量的重要性能参数。不同品牌和型号的 CD4046（如飞兆 CD4046 和摩托罗拉 MC14046）具有不同程度的 VCO 线性和噪声特性。某些型号（如摩托罗拉 MC14046）因其更好的调谐一致性和易用性而受到青睐。

实际考虑因素

在实际应用中，环路滤波器元件值的选择和定时模型的精心配置对于优化性能至关重要。在某些先进设计中，使用 BJT 的电流灌/源电路可以提高噪声和边带抑制能力，而无需依赖环路滤波器中噪声大、速度慢的运算放大器。

.模型参数的调整，如 "MNTYMXDLY "和 "IO_LEVEL"，对于精确模拟和性能复制也起着至关重要的作用。

應用領域

德州仪器公司的 CD4046 是一款多用途集成电路，具有灵活的锁相环 (PLL) 功能和压控振荡器 (VCO)，可应用于各个领域。

信号生成

相位检测

频率跟踪

在通信系统中的历史应用

电路仿真和测试

电压控制滤波器

著名项目和技术

压控振荡器（VCO）

CD4046 芯片最重要的应用之一是设计和实现压控振荡器 (VCO)。VCO 在各种电子音乐合成器中发挥着重要作用，通过产生方波、正弦波、三角波和锯齿波等周期性波形提供主要音源。托马斯-亨利（Thomas Henry）制作的 X-4046 VCO 就是一个利用基于 4046 芯片的 VCO 的著名项目实例。这款 VCO 以其五种波形输出而闻名，其中包括创新的 Rampoid 波，它结合了三角波和锯齿波的元素。不过，用户需要注意的是，这种 VCO 很难准确地进行八度调谐，需要进行一些手动调整

频率合成器

在频率合成领域，CD4046 被用于创建高性能的本地振荡器信号，供接收器使用。这些合成器的工作频率通常在 GHz 范围内，并集成了预分频器、相位频率检测器 (PFD) 和环路滤波器等元件，以管理锁相环 (PLL) 性能。这些系统的设计可能很复杂，存在各种潜在隐患，例如不同制造商实现的 4046 芯片在性能上存在差异。例如，虽然 HC4046 变体可以处理更高的 VCO 频率，但在不同制造商之间也会表现出不一致的行为

DIY 合成器项目

CD4046 深受 DIY 合成器爱好者的追捧。一个典型的例子是利用 4046 PLL 芯片中的 VCO 创建一个简单模拟方波合成器的项目。这种简约的设计只包括几个按钮和每个按钮的可变电阻，突出了芯片的多功能性和易用性。这些项目凸显了芯片无需更复杂的数字系统就能提供经典电子音乐音效的能力

.此外，自 20 世纪 60 年代以来，CD4046 推动了合成器中电压控制的使用，在将合成器从实验室设备转变为广泛使用的乐器方面发挥了关键作用。

历史贡献

从历史上看，CD4046 芯片一直是 20 世纪 70 年代中后期记录的各种频率合成器项目的关键组件，其中包括乌尔里希-罗德博士在《Ham Radio》杂志上发表的著名文章。这些项目通常详细介绍了使用带有 VCO 的 4046 PLL 的频率合成器的构造和优化，说明了该芯片在电子设计中的长期重要性

.这些多样化的应用凸显了 CD4046 在专业和业余电子爱好者中的重要作用，巩固了其作为各种技术进步中多功能和重要组件的声誉。

优势和局限

德州仪器公司的 CD4046 具有一系列特性和功能，使其成为各种应用中的通用元件。不过，要有效利用该器件，必须了解其优势和局限性。

优势

CD4046 的显著优势之一是包含多个相位比较器，特别是 PC1、PC2 和 PC3。这种多样性使锁相环 (PLL) 的设计和应用具有更大的灵活性，因为每种比较器类型都能满足不同的操作要求

.CD4046 的另一个优势是其内置压控振荡器 (VCO)，该振荡器具有通过引脚 5 控制的集成抑制功能。该功能可对 VCO 进行更精细的控制，提高其在频率合成和调制等精密应用中的实用性。此外，该器件还可轻松进行调整和微调，这在需要在噪声抑制和信号一致性之间取得微妙平衡的应用中尤为有用。这种可调节性非常有益，用户无需非常精确的元件值即可优化性能。此外，由于兼容的数字分频器设备非常多，它在与微控制器系统集成方面的多功能性也增加了其在现代电子应用中的实用性。

局限性

尽管 CD4046 具有众多优点，但它也有一些用户应该考虑的局限性。其中一个挑战是在使用过程中容易出现 "问题"，包括去耦、上拉或下拉要求以及频率上限等问题。如果管理不当，这些因素会使设计过程复杂化，并可能导致性能问题

.此外，XOR 门配置虽然对某些应用有用，但也会带来复杂性，例如需要对 BCD 输入进行滤波，如果处理不当就会产生问题。另一个限制与电阻器 R15 的大小有关；如果电阻器 R15 太小，可能会产生不必要的 "颤音 "或 "噗噗 "效果，因为阻尼不足的滤波器会导致 VCO 不断超调或欠调其目标值。这种对元件值的敏感性凸显了精心设计和测试对确保可靠运行的重要性。

竞争对手和替代方案

CD4046 是德州仪器公司推出的一款流行的锁相环 (PLL) 集成电路，它面临着各种类似芯片的竞争，尤其是 74HC4046 变体的竞争。虽然 CD4046 总体上是可靠的，但 74HC4046 提供更高的 VCO（压控振荡器）频率，使其适合需要更快振荡的应用。不过，据用户反映，HC4046 变体的振荡器性能会因制造商的不同而有很大差异。这种差异会给电路稳定性带来挑战，并可能需要调整电路以获得最佳性能，尤其是在制造商更新或修改芯片设计时。

.对于那些寻求更稳定、更可长期制造的 PLL 解决方案的客户来说，其他芯片可能更为可靠。可持续性、能源效率和对高品质产品的承诺等因素使 TI 的产品普遍具有优势。不过，设计人员在选择 CD4046 和 HC4046 或探索市场上的其他替代品时，必须考虑具体要求和潜在的变化。此外，调整 PLL 电路中的环路滤波器元件（如电阻器和电容器）可能会很复杂，而且要视具体应用而定。电容器（如 C7）和电阻器（如 R14、R15）等元件的选择会影响 VCO 锁定信号的能力。过大的元件可能导致升速时间过慢，而过小的元件则可能导致不稳定或无法锁定信号。因此，在选择和配置 PLL 集成电路时，细致的优化和对电路工作范围的了解至关重要。