Comparator digital de fază - circuitul PLL

CONFIGURAŢII FUNDAMENTALE DE CIRCUITE PLL

Există trei configuraţii fundamentale de circuite PLL pe care se bazează majoritatea aplicaţiilor care folosesc principiul buclei cu calare de fază. Complexitatea acestor configuraţii poate creşte prin adăugarea unor blocuri analogice sau digitale, în funcţie de necesităţi:

- circuit PLL tip ”filtru de urmărire”;

- circuit PLL cu mixer ;

- circuit PLL cu divizor programabil.

Circuit PLL tip ”filtru de urmărire”

În figura 2.1 se prezintă schema bloc a unui circuit PLL în configuraţie minimală şi sunt notate semnalele aferente:

Figura 2.1.

Circuitul PLL, în configuraţie fundamentală, este compus din următoarele blocuri:

- comparatorul de fază (CP);

- amplificatorul;

- filtrul trece jos (FTJ);

- oscilatorul comandat în tensiune (OCT);

- circuitul pentru reglarea frecvenţei de oscilaţie liberă.

Blocurile din figura 2.1 au următorii parametri:

- Kd = constanta comparatorului de fază; [ V / rad ]

- Ka = câştigul amplificatorului;

- HFTJ(s) = funcţia de transfer a filtrului trece jos;

- Ko = constanta OCT . [ rad / (s•V) ]

Circuitul PLL este un sistem automat cu reacţie la care semnalul de intrare este vi(t), iar ieşirea din circuitul PLL este semnalul de ieşire al FTJ sau OCT, în funcţie de utilizarea dată.

Comparatorul de fază (CP) are două intrări şi o ieşire. Pe cele două intrări ale sale se aplică semnalul de la intrarea circuitului PLL, vi(t), şi respectiv semnalul rezultat la ieşirea OCT, vo(t). CP furnizează la ieşire un semnal notat vd(t), care este funcţie de diferenţa argumentelor sem¬alelor aplicate la intrarea sa. Specific comparatoarelor de fază folosite în PLL este faptul că semnalul vd(t) este zero când diferenţa de fază între semnalele vi(t) şi vo(t) este 90○.

Filtrul trece-jos (FTJ), numit şi filtru de buclă, separă din semnalul de la ieşirea CP numai componenta lent variabilă, notată vc(t) şi o lasă să treacă spre OCT.

Oscilatorul comandat în tensiune (OCT) este un un oscilator modulat în frecvenţă (frecvenţa este proporţională cu tensiunea de comandă aplicată la intrarea oscilatorului). La intrarea de control a frecvenţei primeşte semnalul de comandă vc(t) şi produce la ieşire semnalul vo(t). Sub acţiunea acestei tensiuni de comandă, vc(t), frecvenţa ωo a oscilatorului, se modifică astfel încât diferenţa de fază dintre semnalele de la intrarea CP să se anuleze. În lipsa semnalului de intrare, OCT oscilează liber, cu frecvenţa de oscilaţie liberă, notată ωol:

ωol(t) = Ko∙ Vref , (2.1.1.)

unde Vref este o tensiune constantă din care se reglează frecvenţa de oscilaţie liberă.

Circuitul PLL lucrează ca un sistem de control automat a fazei unui oscilator. În figura 2.2 funcţionarea circuitului PLL este descrisă ca un automat finit cu două stări şi cinci tranziţii. Cele două stări reprezintă regimurile de funcţionare ale buclei PLL: regimul de oscilaţie liberă şi regimul de lucru în sincronism.

În absenţa semnalului de intrare în circuitul PLL, oscilatorul comandat în tensiune oscilează liber, cu frecvenţa de oscilaţie liberă ωol, iar bucla PLL se spune că lucrează în regim de oscilaţie liberă.

Tranziţia a: la t=0, la intrarea circuitului PLL se aplică un semnal periodic, vi(t), care are frec¬ven¬¬¬¬¬¬¬¬ţa diferită de frecvenţa de oscilaţie liberă (ωi ≠ ωol).

Tranziţia b: dacă diferenţa de frecvenţă ωi - ωol este mare, bucla PLL continuă să oscileze pe frecvenţa de oscilaţie liberă.

Tranziţia c: dacă vi(t) are frecvenţa diferită dar apropiată de frecvenţa de oscilaţie liberă (ωi ≠ ωol), între semnalul de intrare în PLL şi semnalul dat de OCT va apare o diferenţă de fază, Δφ≠0; în aceste condiţii, CP va produce un semnal proporţional cu diferenţa de fază dintre cele două semnale aplicate la intrare. Semnalul dependent de diferenţa de fază este amplificat şi trecut prin FTJ, fiind apoi aplicat la intrarea de control a OCT. Frecvenţa instantanee a OCT se va modifica astfel încât frecvenţa semnalului vo(t) să devină egală cu frecvenţa semnalului vi(t).

Procesul prin care bucla trece din stare necalată, de oscilaţie liberă, în starea calată se numeşte achiziţie sau captură. În literatura de specialitate se mai spune că bucla lucrează în ”regim de prindere” sau ”regim de calare” sau ”regim de intrare în sincronism”. Când bucla PLL este în sincronism, oscilaţia generată de OCT este de aceeaşi frecvenţă cu cea a semnalului de intrare şi este în fază cu el.

Dacă bucla este calată iar la intrare în PLL se produc variaţii ale semnalului de intrare, bucla poate ieşi din calare (tranziţia e) sau nu (tranziţia d).

Tranziţia d: menţinerea sincronismului are loc în două situaţii: când frecvenţa semnalului aplicat la intrarea circuitului PLL nu se modifică sau când frecvenţa semnalului aplicat la intrarea circuitului PLL se modifică, dar variaţiile semnalului de intrare sunt mici;

La variaţii mici ale frecvenţei semnalului de intrare, prin mecanismul de reacţie ce corectează permanent faza OCT, frecvenţa semnalului de ieşire urmăreşte (în medie) aceste variaţii fără ca bucla să iasă din calare. Acest lucru depinde de banda de trecere a FTJ. Atunci când se modifică ωi, diferenţa de fază dintre semnalul de la intrare şi semnalul de la OCT va începe să crească în timp; tensiunea de control de la intrarea OCT, fiind proporţională cu frecvenţa semnalului aplicat la intrare, se va modifica astfel încât să aducă frecvenţa OCT înapoi, la o valoare egală cu aceea a semnalului de intrare. Deci bucla poate menţine calarea pe frecvenţa semnalului de intrare, atunci când această frecvenţă se modifică.