PLL szintézer

A PLL szintézer feladata

A frekvenciaszintézer (röviden szintézer) egy kellően stabil frekvenciájú referenciajelből, PLL és a digitális technika frekvenciaosztó áramköreinek segítségével állít elő a referenciajellel azonos stabilitású, de más frekvenciájú jeleket (ld. ábra).

PLL-es frekvenciaszintézer

A nagystabilitású referenciajelet XO kristályoszcillátor állítja elő. A kristályoszcillátor frekvenciáját az 1. frekvenciaosztó áramkör n-ed részére osztja, ez a jel kerül a fázisdetektor egyik bemenetére. A fázisdetektor másik bemenetére a VCO által előállított, s a 2. frekvenciaosztó által m-ed részére leosztott frekvenciájú jelet vezetjük. A fázisdetektor kimenőjele az aluláteresztő (hurok-) szűrőn áthaladva szabályozza a VCO frekvenciáját. A hurok akkor van „zárva”, amikor a fázisdetektor két bemenetére azonos frekvenciájú (legfeljebb eltérő fázisú) jel kerül. Ez a feltétel akkor teljesül, amikor a kristályoszcillátor frekvenciájának n-ed része megegyezik a VCO frekvenciájának m-ed részével:

[math]\frac{f_{XO}}{n} = \frac{f_{VCO}}{m}[/math]

az egyenlet átrendezésével

[math]f_{VCO} = \frac{m}{n} \cdot f_{XO}[/math]

azaz m és n osztásviszony változtatásával a VCO frekvenciája (amely egyúttal a szintézer kimenő jele is) széles tartományban változtatható. A fáziszár következtében a VCO így beállított frekvenciájú kimenő jele ugyanolyan frekvenciastabilitású, mint az XO kristályoszcillátoré.

PLL szintézerek fajtái

Csak fázisra érzékeny, klasszikus PLL áramkörök

Az első időkben egyszerűsége folytán kizárólag ilyen PLL áramköröket használtak. Napjainkban kizárólag a GHz-es tartományban, ahol nem könnyű bonyolult digitális áramköröket használni, ott találkozhatunk ilyen megoldásokkal. Használata óvatosságot igényel, mivel ennek a PLL áramkörnek véges a behúzási tartománya és bár ennél szélesebb, de véges a tartási tartománya, azaz ha a VCO frekvenciája egy bizonyos határnál jobban eltér a PLL által diktált frekvenciától, akkor a PLL többé nem tudja kontrollálni a frekvenciáját, kiesik a szabályozási tartományból.

Nézzük meg, milyen módon lehet ilyen, csak fázisra érzékeny PLL magokat készíteni:

Kizáró vagy kapuval

A kétbemenetű kizáró vagy (XOR) kapu

• LL bemenőjelre L szintű kimenetet ad
• LH bemenőjelre H szintű kimenetet ad
• HL bemenőjelre H szintű kimenetet ad
• HH bemenőjelre L szintű kimenetet ad

Könnyen belátható, hogy két azonos frekvenciájú négyszögjel esetén a kimenet alacsony-magas jelszint aránya a két jel egymáshoz képest való fáziseltérésével arányos. Amennyiben a XOR kapu kimenőjelét integráljuk (RC taggal, jobb esetben műveleti erősítővel, akkor ezt a jelet felhasználhatjuk VCO varicap diódájának meghajtására, amiáltal a VCO jelét a referencia jellel azonos fázisúra hoztuk.

Analóg szorzóval

Az előjeles szorzás során is igaz, hogy

• -- bemenőjel szorzata + eredményt ad
• -+ bemenőjel szorzata - eredményt ad
• +- bemenőjel szorzata - eredményt ad
• ++ bemenőjel szorzata + eredményt ad

Innentől a XOR kapunál ismertetett megoldás analógiájára integrálni kell és a kapott átlag alapján lehet a VCO-ban található varicap dióda feszültségét módosítani.

Analóg mintavételezéssel

Ha a (gyakran töredék frekvenciájú) referenciajel élváltásait arra használjuk fel, hogy pillanatnyi mintát vegyünk a VCO jeléből, ezzel is tudunk fáziskompenzációt végezni. Könnyen belátható, hogy akkor van fázisban, ha a mintavett és aluláteresztő szűrőn keresztülvezetett jel meghatározott feszültségszinttel rendelkezik. Természetesen ez az áramkör is ±90 fok fáziseltérésen belül képes szabályozni a VCO-t.

JK tárolóval

A XOR kapunál bonyolultabb megoldás azért terjedt el, mert dupla széles befogási tartomány érhető vele el. Amíg a XOR vagy analóg szorzó áramkör ±90 fok fáziseltérést volt képes korrigálni, addig az élvezérelt bemenettel rendelkező, csak LH átmenetre érzékeny JK tároló már ±180 fokos jel eltérés esetén is képes volt helyes korrekciós jelet előállítani.

Fázisra és frekvenciára egyaránt érzékeny PLL áramkörök

Frekvenciára és fázisra érzékeny detektor kettő D tárolóval

A fentiekben ismertetett kizárólag fázisra érzékeny kategóriát napjainkra végleg kiváltotta GHz alatti tartományokban ez a fajta fázis-frekvencia detektor. A boltban kaphatók szinte mindegyike ilyen. Ezáltal ennél a típusnál már nem kell számolni behúzási és tartási tartományokat, a tervezés során sok-sok hibalehetőségtől szabadítva meg a konstruktőrt.

Működése

Mint a mellékelt ábrán is látható, két D tárolót tartalmaz az áramkör. A D tároló mindegyik bemenete H szintre ("1") van kötve. A kimenet akkor lesz H szintű, hogyha az órajel (CLK, CP) alacsony szintről (L) magas szintre ugrik.

Amikor az u₁ bemenetnél megtörténik az L-H átmenet, akor UP magasra vált. Amikor pedig picivel később az u₂ bemenet is magas szintre vált, akkor DN kimenet is magas szintű lesz, de ekkor az ÉS kapun keresztül (HH ==> H) a C_D törlő lábon megjelenik a D tárolókat törlő impulzus, amely hatására alacsony szintre (L) kerül az UP és DN kimenet.

Belátható, hogy az UP láb magas állapotának aránya (másszóval kitöltési tényezője) arányos azonos frekvenciájú jel esetén a fázisszöggel, ráadásul 0...100 % között.

Ugyanakkor az is belátható, ha u₁ bemenetre gyakrabban érkeznek L-H átmenetek (nagyobb frekvencia), akkor szintén nagyobb lesz a kitöltési tényező.