PLL

Fáziszárt hurok (PLL = Phase Locked Loop)

Nagy pontosságú frekvenciák előállítása

A technika fejlődésével egyre nagyobb az igény a stabil, nagy frekvenciapontosságú jelekre. Ilyen stabil frekvenciájú jelek csak kristályvezérelt oszcillátorral állíthatók elő. A kristályoszcillátor jelének frekvenciáját a rezgőkristály határozza meg, ezért a frekvencia változtatása a rezgőkristály cseréjével oldható meg. A „fáziszárt hurok” áramköri összeállítás segítségével egyetlen nagy frekvenciastabilitású kristályoszcillátor felhasználásával ugyanolyan frekvenciastabilitású, de más (beállítható) frekvenciájú jeleket tudunk előállítani. (Ezt az eljárást „frekvenciaszintézis”-nek nevezik.)

A fáziszárt hurok (PLL) elemei: a fázisdetektor, az aluláteresztő szűrő, és a feszültségvezérelt oszcillátor (Voltage Controlled Oscillator = VCO), ld. az 1. ábrát.

1. ábra: PLL tömbvázlata

A fázisdetektor összehasonlítja egy periodikus bemenő jelnek és a VCO jelének a fázisát, és kimenetén a fáziskülönbséggel arányos jel jelenik meg. Ez a jel az aluláteresztő szűrőn keresztül a VCO vezérlő bemenetére kerül, és annak frekvenciáját úgy változtatja meg, hogy a bemenő jel és a VCO jele közötti fáziskülönbség csökkenjen. A hurok akkor „zárt”, ha a VCO olyan vezérlő feszültséget kap, amelynek hatására frekvenciája pontosan megegyezik a bemenő jel frekvenciájával (a bemenő jel egy periódusára az oszcillátor jelének egy periódusa esik, ezek között fáziskülönbség azonban lehet. A PLL megfelelő méretezésével ez a fáziskülönbség igen kis értékre állítható be).

Hogyan „záródik” („húz be”) a PLL?

A PLL „behúzásának” folyamatát a 2. ábra segítségével vizsgáljuk meg.

A 2.a ábrán a fázisdetektor egy analóg szorzó áramkör, melynek egyik bemenetére az fbe frekvenciájú bemenő jel, másik bemenetére az fO frekvenciájú VCO jel jut. Ismert (amplitúdómoduláció, keverés), hogy két szinuszos jel összeszorzásának eredménye ugyancsak két szinuszos jel: az egyik frekvenciája a két összeszorzott jel frekvenciájának összege (itt: fbe + fO) , a másik jel frekvenciája pedig a két összeszorzott jel frekvenciájának a különbsége (itt: fbe - fO vagy fO - fbe, attól függően, hogy fO vagy fbe a nagyobb). A 2.a. ábrán a szorzó kimenetén csak az utóbbi, különbségi frekvenciás jelet ábrázoltuk, mert az összegfrekvenciás jel biztosan az aluláteresztő szűrő zárótartományába esik, azon nem jut át, ezért a PLL működése szempontjából érdektelen. A 2.b. ábra az aluláteresztő szűrő átvitelét mutatja a frekvencia függvényében.

Legyen vizsgálatunk kezdetén fbe > fO, és tételezzük fel, hogy fbe és fO frekvenciák különbsége olyan nagy, hogy ez a különbségi frekvencia is az aluláteresztő szűrő zárótartományába esik (2.b. ábra, 1. sz. jelzővonal). Ekkor az aluláteresztő szűrőn semmilyen jel nem jut át, ezért U1 kimenő feszültség 0 (2.c. ábra), és ezért a VCO „üresjárási” frekvenciáján működik.

2. ábra

Csökkenjen most fbe frekvencia úgy, hogy fbe - fO kerüljön az aluláteresztő szűrő áteresztési tartományába (2.b. ábra 2. sz. jelzővonal). Ekkor kezdődik meg a hurok „behúzása”: az aluláteresztő szűrő kimenetén megjelenik egy fbe - fO frekvenciájú U1 jel. Tételezzük fel, hogy a VCO frekvenciája pozitív vezérlőfeszültség hatására nő. Ebben az esetben U1 pozitív félperiódusában a VCO fO frekvenciája nő, és ezzel közeledik fbe frekvenciához. Ebben a félperiódusban így fbe - fO frekvenciakülönbség csökken, tehát a félperiódusidő nő. U1 negatív félperiódusában azonban a VCO frekvenciája csökken, ezért fbe - fO nő, U1 jel félperiódusideje csökken. A folyamat eredménye az, hogy U1 jel nem lesz szimmetrikus: pozitív félperiódusa tovább tart, mint negatív félperiódusa, azaz a jel átlagértéke nem 0 lesz, hanem egy pozitív érték. Már pedig feltételezésünk szerint a pozitív U1 feszültség a VCO frekvenciáját közelíti fbe frekvenciához, tehát egy teljes U1 periódus lezajlása után a VCO frekvenciája átlagában közelebb kerül a bemenő jel frekvenciájához, fbe - fO csökken, ezért a 2.b. ábrán a jelzővonal balra tolódik (3. sz. jelzővonal). A következő U1 pozitív félperiódusban így fO még jobban megközelíti fbe -t, ezért a pozitív félperiódus még hosszabb idejű lesz, s így tovább, U1 jel átlagértéke egyre növekszik, miközben a VCO fO frekvenciája egyre közelebb kerül fbe -hez. A folyamat végén a hurok „záródik”: fO = fbe értéket vesz fel, fbe - fO különbségi frekvencia 0 lesz, azaz az aluláteresztő szűrőn egyenfeszültség jelenik meg, amely éppen akkora, hogy a VCO frekvenciáját fO = fbe értéken tartsa. Ez az egyenfeszültség fO és fbe fáziskülönbségétől függ. A PLL behúzási tartománya az a frekvenciatartomány, amelybe eső frekvenciájú bemenő jelekre a hurok „zárni” képes.

Ha most fbe olyan lassan változik, hogy U1 jel az aluláteresztő szűrő áteresztő tartományában marad, a VCO követi a bemenő jel frekvenciáját, miközben a vezérlő feszültsége, (és a két jel fáziskülönbsége is) változik. Ez a folyamat a VCO teljes vezérlési tartományában (benntartási tartomány) fennmarad, ha ebből a tartományból kikerülünk, a fáziszár megszűnik. (Ha fbe változása gyors, a változás az aluláteresztő szűrőn nem jut át, és a VCO frekvenciája változatlan marad, ezért a PLL a bemenő jelet terhelő fáziszajokat elnyomja.)