A fáziszárt hurok vagy a fáziszárt hurok vagy a PLL (angol, fázis-zárolt hurok vagy PLL ) egy elektronikus áramkör, amely lehetővé teszi a fázis vagy a fázis rendszer kimeneti frekvenciájának vagy a bemeneti jel frekvenciájának rabszolgázását . A kimeneti frekvenciát a bemeneti frekvencia többszörösére is rabszolgává teheti.
A fáziszárt hurok találmányát egy francia mérnöknek, Henri de Bellescize -nek tulajdonítják 1932-ben .
Tekintettel arra, hogy a megfelelő áramkörök gyártása meglehetősen bonyolult és több tucat alkatrészt igényel, csak a hatvanas években, az integrált áramkörök megjelenésével jelentősen kibővült a találmány megvalósítása.
A klasszikus fáziszárt hurok a következőkből áll:
Integrált áramkör formájában is megtalálható
A bemeneti frekvencia és a kimeneti frekvencia kapcsolata:
A fázis-összehasonlító jelet ad, amely a két bemeneti jel közötti fáziskülönbség függvénye. A hurokszűrőn való áthaladás után a jel a feszültségvezérelt oszcillátorra, a VCO-ra kerül .
A VCO kimeneti jele (esetleg a frekvencia N-vel való elosztása után) a fázis-összehasonlító bemenetére kerül. Így hurkolt rendszer jön létre, amely a VCO frekvenciáját vagy fázisát a Fin bemeneti jeléhez kapcsolja.
Egy PLL hurok különböző funkciókkal rendelkezhet.
A SZÁLLÍTÓ FELHASZNÁLÁSI FUNKCIÓJA :
N = 1. A hurokszűrő átsávja nagyobb, mint a modulációs frekvenciák, így a VCO olyan feszültséget kap, amely lehetővé teszi a gyors variációk, azaz a moduláció követését. A modulációs jel a hurokszűrő kimenetén érhető el.
FÁZIS VAGY GYAKORISÁGI DEMODULÁTOR FUNKCIÓ :
N = 1. A szűrő sávszélessége alacsony, és a szűrő nem továbbítja a modulációt. A VCO frekvenciája csak a frekvenciák lassú változását követi. Így modulálatlan RF jel áll rendelkezésre a VCO kimenetén, amelynek frekvenciája a bemenő jel átlagos frekvenciája.
GYAKORISÁGI SZINTÉZIS FUNKCIÓ :
Az End frekvenciát egy kvarc adja meg. Miután elosztjuk egy előre meghatározott M számmal, megkapjuk a "lépést", amely programozással jelzi a lehetséges frekvenciaugrásokat.
A VCO kimeneti frekvenciáját elosztjuk egy N számmal, amely általában programozható , hogy a "lépéssel" megegyező frekvenciát is kapjon. Megállapított üzemmódban az osztó kimenete megegyezik a "lépéssel", tehát a VCO frekvenciája megegyezik a "lépés" N-szeresével.
Ha a VCO frekvenciája nem egyenlő a beprogramozott frekvenciával, akkor a VCO a szűrőtől korrekciós jelet kap, hogy elérje a várt frekvenciát.
Mint minden vezérelt rendszer, a fázishurok stabilitása a nyitott hurok átviteli függvénytől függ .
Különböző szűrők és átviteli funkciók lehetségesek.
A szűrő meghatározásához a Bode diagram módszert alkalmazzuk, amelynek az az előnye, hogy kevés számítást igényel, és megmutatja, mi történik.
E stabilitás tanulmányozásához meg kell határozni bizonyos kifejezéseket:
Kv : a VCO meredeksége radiánban / volt. Ha a VCO lejtése p (hertben / volt), akkor
Kphi : a fázis-összehasonlító kimeneti érzékenysége, volt / radiánban kifejezve. Például egy "trisztát" cmos típusú fázis-összehasonlítóval, mint például a CD 4046, Kphi = Vdd / 4 pi
N = a VCO kimenet osztási rangja.
Wo : elméleti impulzus, amelynél a szűrő nélküli nyitott hurok keresztezi a 0 dB tengelyt (egységerősítés).
Megvan .
Ez a Wo paraméter a fázis-összehasonlítótól és a VCO-tól függ, ezért általában előre meghatározott. ezt fontos tudni, mielőtt eldöntenénk, melyik szűrőt helyezzük a fázis-összehasonlító mögé.
A hurok stabil lesz, ha a nyitott hurok válaszgörbéje kevésbé meredek, mint -12 dB / oktáv, azon a ponton, ahol a vízszintes tengely görbéje 0 dB- t metsz a Bode diagramban . (Ez a lejtési feltétel egyenértékű a feltétellel: a fázis nagyobb, mint -180 ° megfordítási kritérium).
- Első esetben , ha a hozzáadott szűrőnek nincs Wo alatti vágási frekvenciája , akkor a hurok feltétel nélkül stabil lesz, mert ebben az esetben a nyitott hurokban lévő válaszgörbe lejtése −6 dB nagyságrendű oktávval Wo-ig . .
Ez a helyzet a demodulátorok PLL hurkaival, és azoknál az eseteknél, amikor az összehasonlító által generált zaj nem alapvető fontosságú. Ez a görbe fekete színű az alábbi Bode diagramon.
- Második esetben, ha a hozzáadott szűrő vágási frekvenciája Wo alatt van , akkor a hurok instabil lehet. Ez általában a rádiófrekvenciás szintetizátorok és a nagyon lassú vivő-helyreállítási hurkok esetében fordul elő.
Ebben az esetben alaposan meg kell fontolnunk a nyitott hurok görbét:
Nézzük tehát tegyük fel, hogy a fázis összehasonlító követi elsőrendű aluláteresztő szűrő, a cutoff impulzus W1 , kevesebb, mint Wo.
A nyitott hurok ekkor másodrendű rendszer. A W1-en túl Bode diagramja olyan meredekséget mutat, amely megközelíti a 12 dB / oktáv értéket.
A stabil rendszer érdekében a görbe meredeksége nem érheti el a -12 dB / oktáv értéket abban a Wn pontban, ahol a görbe metszi a "0 dB " vízszintes tengelyt .
Ehhez létrehozunk egy második hajlítást az átviteli függvényben, a W2 impulzusnál, hogy "kiegyenesítsük" a görbét, és visszahozzuk azt a lejtőre, amely oktávonként −12 dB- nél lényegesen alacsonyabb, abban a pontban, ahol a görbe metszik a 0 dB tengelyt. .
Figyelembe véve a W1 és W2 szűrőt , azt az impulzust, amelynél a nyitott hurok 0 dB erősítéssel rendelkezik, Wn-nek nevezzük , ez a "hurok természetes frekvenciája".
A stabilitás a ksi csillapítási tényezővel értékelhető : Úgy véljük, hogy a reteszelés a lehető leggyorsabban történik ksi = 0,7 esetén. Ebben az esetben stabilan növekszik a szűrő kimeneti feszültsége, amint az az alábbi képen látható.
A ksi alacsonyabb értékei jelentős, vagy akár tartós, túlzott rezgéseket idéznek elő, és az 1-nél nagyobb ksi-értékeknél már nincsenek túlzott rezgések, de az egyensúlyi állapot lassabban érhető el.
Stabilitás is értékelhetjük a fázistöbblet : a frekvencia Wn ez a fáziskülönbség tekintetében a fázis, ami instabilitást okozhat.
Zajcsökkentés : A fent említett szűrés mögött általában egy másik cellát adnak, amely W3 frekvencián vág . Ennek a W3 frekvenciának legalább hétszer nagyobbnak kell lennie, mint a Wn, hogy ne csökkenjen a korábban elért stabilitás.
PÉLDA A HÁLÓZAT-SZŰRŐ ALKALMAZÁSÁRA, MINT A "TRISTÁT" ÖSSZEHASONLÍTÓ KIMENETÉNEK
Korábban kiszámoltuk Wo-t
A szemközti szűrő R1, R2 és C2-ből áll
A gyakorlatban a Wn-vel kezdjük , figyelembe véve a következő kritériumokat:
Minél nagyobb a Wn, annál gyorsabb lesz a reteszelés. Másrészt a fázis-összehasonlítóból származó maradványok és zaj szűrése rossz lesz.
Ezért általában Wn helyett alacsonyabb Wn értéket választunk.
Wo és Wn ismeretében következtetni fogunk
és ezután levezetjük (R1 + R2) és C2 tudva, hogy az ellenállások néhány ezer ohm.
Az R2 kiszámítása a ksi csillapítási együttható kiválasztása után történik :
Ksi-t választunk 0,7 és 1 között;
akkor megvan
Megjegyzés: általában azt tapasztaljuk, hogy R2 kétszer-háromszor kisebb, mint R1.
Vágás hozzáadása a W3-hoz:
A zaj további csökkentése érdekében az az érdek, hogy új határértéket adjunk a W3-hoz .
A szűrő kimenetén párhuzamosan egy C3 kondenzátort helyeznek el.
Így az értéke C3 lesz nagyságrendű
Annak érdekében, hogy ne sérüljön a stabilitás, a gyakorlatban a W3-at sokkal nagyobbnak vesszük, mint a Wn, például W3 = 7 Wn
A fázisérzékelőnek vagy komparátornak a szűrés után folyamatos (vagy lassan változó) feszültséget kell szolgáltatnia, amely arányos a bemenő jelek közötti fáziskülönbséggel.
Megkülönböztetünk hagyományos lineáris komparátorokat , amelyek a bemenő jelek közötti fáziskülönbséggel arányos jelet adnak ki. Ezeknél az érzékelőknél, ha két különböző frekvenciájú jelet adunk a bemeneten, akkor a kimeneten fűrészfog jelet kapunk. Ha a két bemeneti jel frekvenciája messze van egymástól (a VCO esete messze van a kívánt frekvenciától), akkor a kimenet meglehetősen nagy frekvenciájú (a bemenetek közötti frekvenciakülönbség) fűrészfog, és az aluláteresztő szűrés után nem feltétlenül lesz meg a szükséges feszültség a hurok "lezárásához". Ezért a rendszer csak akkor tud rögzülni a beprogramozott frekvencián, ha a VCO indítási frekvencia nincs túl messze a kívánt frekvenciától.
Az 1970 - es években megjelentek az úgynevezett "tristate" detektorok, amelyeket szekvenciálisnak is neveznek, például a CD 4046, amelynek kimenete nagyon eltérő. A kimenetet az ajtók nyitása képezi, akár a +, akár a - felé, és szélességük a fáziskülönbség függvényében. Ha a bemeneti jelek fázisban vannak, a kimenet nagy impedancia állapotban van. Másrészt, ha a bemeneti jeleknek különböző frekvenciájuk van, akkor a kimenet plusz vagy zárt felé zárt. Ezért egyben frekvencia-összehasonlító is. Ez a javulás jelentős a hagyományos komparátorokhoz képest: trisztáttal és annak "töltőszivattyújával", Ha a VCO frekvenciája messze van a kívánt frekvenciától, a kimeneti jel tartósan magas vagy alacsony marad, attól függően, hogy az egyik bemenet frekvenciája magasabb vagy alacsonyabb, mint a másik bemeneté. Ezért nincs zárolási problémánk.
Lásd a wikipédia feszültségvezérelt oszcillátorát (VCO - Voltage Controlled Oscillator). Feladata olyan periodikus jel előállítása, amelynek frekvenciája a bemenetére alkalmazott feszültség függvénye.
A rádiófrekvenciás vevőkben egy bizonyos protokoll szerint modulált elektromágneses jel (FSK, GMSK, QAM64 ...) elektromotoros erőt generál az antennában, amelyet erősített és szűrt elektromos jellé alakítanak át. Ez a rendszer nevezetesen az LO ( helyi oszcillátor ) nevű referenciafrekvenciát használja , amelyet egy fáziszárt hurok generál.
Ez a helyzet például az FM vagy az AM rádió demodulálása kapcsán . Egy rádióállomás tartalmaz egy PLL-t, amelynek a bemeneti jel szűrése változó. Ez a szűrt jel vezérli a PLL-t, amely erre a frekvenciára reteszelődik az úgynevezett reteszelési fázis alatt, majd a kimeneten generálja a demodulált jelet.
A digitális rendszerek gyakran magas belső működési frekvenciát igényelnek, több száz megahertz nagyságrendű. Általában piezoelektromos oszcillátor kristályt használunk referenciaként, mert nagyon alacsony órás jittert generál. A kristály hátránya, hogy gyakran alacsony a frekvenciája, 20 MHz és 30 MHz közötti nagyságrendű , és hogy a digitális rendszer órájának előállításához meg kell szorozni a frekvenciáját egy K tényezővel. Ez a PLL szerepe.
A bemeneti jel egy bizonyos minőségi tényező a zaj szempontjából jellemzi idő jitter vagy fáziszajt . Például, ha a bemeneti frekvencia egy másik rendszerből érkező kimeneti órától származik, akkor ez olyan zajt tartalmaz, amelyet a PLL szűr, vagy erősít, attól függően, hogy a hurok átadja-e a VCO-nak vagy sem. Ezért meg kell érteni a bemeneti jel zajmaszkját a VCO kimeneti jelének bizonyos minőségének biztosítása érdekében. A legjobb bemeneti referencia óraforrások a kristályoszcillátorok, és általában olyan PLL-ekhez használják, amelyek minimális bemeneti minőséget igényelnek.
A legtöbb alkalmazásban a kristályok fáziszaj-jellemzői sokkal jobbak, mint a VCO-k belső fáziszaj-tulajdonságai. A PLL rendszer ezért javítja a VCO kimeneti jel fáziszaját. Ha a VCO kimeneti frekvenciája F, akkor az utóbbi fáziszaja F körül javul, a Wn érték által korlátozott sávban.
A belső zajforrások a PLL elemeihez kapcsolódnak, függetlenül attól, hogy ezek ellenállások vagy tranzisztorok. A különféle hangok, amelyeket figyelembe kell venni, a termikus zaj , a „villódzás” , a lövés zaja , a fülkék . A belső zajok vizsgálata a következő:
A fáziskomparátor és a VCO közötti szűrő feladata tehát ezeknek a zajoknak a szűrése.
Abban az esetben, a rádiófrekvenciás VCO , az egyetlen zaj, amely nem szűrhető ki lesz:
- a VCO-nak belső fáziszaj, ha wn-nél nagyobb mértékben távolodik el a hordozótól,
- Ha a lejtés több tíz MHz / volt, akkor a változó kapacitású diódákat vezérlő ellenállás hőzaja.
Összefoglalva, a hordozó körüli + vagy - Wn spektrum területén a fázishurok :
a) Csökkenti a VCO fáziszaját: Az alábbi képen az 1 pontozott görbe a fel nem oldott VCO kimenetének spektrumát mutatja .
A 2. görbe piros színnel mutatja a hurok által rögzített VCO fáziszaját .
b) adja hozzá a referencia fáziszaját: ez a 3. görbe. (A referenciának alacsony fáziszaja van.)
A szennyeződések bármely nem sztochasztikus (véletlenszerű) folyamat tartományába tartoznak, amelyet hozzáadnak a kívánt jelhez.
A PLL olyan áramot fogyaszt, amely áramcsúcsokat mutat, amelyek a szilíciumon vagy a tesztlemezen lévő feszültségesések révén feszültségcsúcsokat eredményeznek a PLL tápegységein. Ezek a feszültségcsúcsok ezután a kimeneti jel minőségének romlását eredményezik, és ezek a szennyeződések idővel könnyen megfigyelhetők a tápegységeken oszcilloszkóp segítségével, vagy a kimeneti jeleken egy analizátor spektrum segítségével. A PLL tervezője ezért különös figyelmet fordít a PLL fedélzeti és szilícium útvonalaira.
Ez a probléma különösen akkor fontos, ha a VCO-t ugyanabba a chipbe akarjuk integrálni, mint a PLL többi részét. Rádiófrekvenciában az integrált VCO-val rendelkező PLL-ek soha nem érik el a külön és árnyékolt VCO-val rendelkező PLL-ek spektrális teljesítményét.
Ezenkívül a hurokszűrő kapacitása nem tökéletes, és ezeken a kapacitásokon enyhe szivárgási áram halad át. Ez az áram a bemeneti frekvencián modulált feszültségesést generál, amely a PLL kimenetét parazita frekvenciákkal eredményezi. Tehát a fejlesztő ezt a pontot figyelembe fogja venni, például a mikroelektronikában ez a szivárgási áram egyenesen arányos a kapacitív oxid vastagságával és a kondenzátor méretével.
A külső szennyeződések olyan parazita frekvenciák, amelyek kívülről származnak, és amelyeket nem maga a PLL termel. Például a külső elektromágneses frekvenciákat, a rosszul szűrt tápfeszültség frekvenciáit a PLL dolgozza fel. Ezért bizonyos, jó minőségű spektrumot igénylő alkalmazások esetében a szerkezet, különösen a VCO és a szűrő árnyékolása szükséges → VCO csatlakozás. Ennek érdekében dolgozni fogunk a PLL elektromágneses kompatibilitásával az elektronikus rendszerben.
Maximális és minimális frekvencia
FáziszajdBc per hertz-ben kifejezve, a hordozóhoz való távolság függvényében.
digitálisan Meghatározza azt a minimális félidőt (a rázkódás nélkül), amely alatt a logikai kapuk át tudnak váltani. A digitális üzemmód tipikus specifikációja 55% / 45%. vegyes analóg A munkaciklus a kimeneti minőség közvetlen tényezője lehet, a demodulációs architektúrától függően.