PLL یا همان حلقه قفل فاز به طور اساسی به فرکانس سیستم کنترل حلقه محصور کننده گفته می شود که این تابعی بر اساس حساسیت اختلاف فاز که بین سیگنال ورودی و سیگنال خروجی نوسان گر کنترل شده است .هدف اساسی PLL قفل کردن یا سنکرون کردن زاویه ی لحظه ای (برای مثال فاز و فرکانس ) یک خروجی VCO به زاویه لحظه ای یک سیگنال میان گذر بیرونی که ممکن است نوعی مدولاسیون CW داشته باشد ؛ ایت .PLL باید مقایسه فاز را انجام دهد .PLL در مدارهای مجتمع از چندین ساختار مشخص که دارای یک بلوگ دیاگرام مفید و خیلی جالب هستند ؛ تشکیل شده است .
شکل شماره 1 شامل یک آشکار ساز فاز ،تقویت کننده و VCO است که ترکیبی آمیخته از تکنولوژی دیجنتال و آنالوگ را در یک بسته نشان می‌دهد .PLL ها در مدولاتورها ،دی مدو لاتورها ، ترکیب کننده های فرکانس حالتی پلکس کننده ها و انواعی از فرایند های سیگنالی دیده می شود .
ارزان بودن و در دسترس ها کاربرد های وسیعی را باعث می شود .
شکل شماره 2، پیکر بندی ای کلاسیک از PLL را نشان می دهد .
آشکار ساز فاز وسیله ای برای مقایسه کردن دو فرکانس ورودی و تولید کردن خروجی که شامل اختلاف فاز بین آنهاست .
اگر سیگنال ورودی با سیگنال نوسان گر داخلی برابر نبا شد ؛ سیگنال خطای فاز تقویت شده باعث می شود ؛ فرکانس VCO از جهت سیگنال ورودی منحرف شود .
در شرایط مناسب ، سیگنال VCO به طور کامل درسیگنال ورودی قفل می کند .
به این نکته با ید توجه شود که آشکار ساز فاز خروجی ، سیگنال Dc است .
و ورودی کنترل با vco ، مقداری از فرکانس ورودی را با خود داراست .
خروجی vco یک سیکنال با فرکانس تولید شده مساوی با ورودی است .
بنابراین تشخیص و تمیز ورودی از نویز تا حدودی مشکل است .
چون خروجی vco می تواند موجی مثلثی ، سینوسی یا هر آنچه نویز وارد شده از روش تولید شده یک موج سینوسی ر امقایسه کرده و قفل کند .
یکی از کاربرد های معمولی pLL ها دو شمارنده ها است Pll روشی برای تولید کردن پالس هاس ساعت در چند ین خط نیرو فرکانس برای مبدل های A/D است .
اساس نوسانگر کنترل شده ی ولتاژ VCO ، در شکل 3 نشان داده شده است .
این نشان می دهد که اساس نوسان گر کنترل شده ولتاژ که فرکانس اسیلاتور آن با تعیین می شود مشخص می گردد .
خازن متغییر است .
دیود ها بیشتر مواقع که در مدار معکوس قرار بگیرند مانند خازن متغییر عمل می کنند .
اما باید به مشخصات عملکرد آن در حالت اتصال معکوس توجه شود .
در بایاس معکوس این دیود به عنوان یک خازن عمل می کند و ناحیه تهی آن خاصیت دی الکتریک دارد .
محدودیت های شکست دیود تحت تاْثیر تغییر مقدار بایاس معکوس ، عرض ناحیه تهی را تغییر داده و بنابراین ظرفیت موًثری که توسط دیود به وجود می آید ، تغییر خواهد کرد ؛ که این تغییرات ،تغییر فرکانس رزنانس مدارا سیلاتور را منجر خواهد شد .
اما این چه کمکی به ما می کند ؟
مهم تر از همه ، VCO ؛ ناپایدار است .
هر گونه تغییر جزئی در اختلاف پتانسیل در مدار باعث شیفت فرکانس خواهد شد .
و اگر روشی وجود داشت که ما می توانستیم مصالحه ای بین VCO و پایداری اسیلاتور کریستال برقرار کنیم ما می توانستیم یک سیستم ایجاد کننده فرکانس ایده ال داشته باشیم .
اگر یک آشکار کننده فاز از طریق خروجی یک VCO و اسیلاتور کریستال تغذیه می شد ؛ چه اتفاق می افتاد ؟
آشکار کننده فاز چیست ؟
به شکل 4 نگاه کنید .
یک آشکار کننده فاز شبیه به یک متمایز کننده با آشکار کننده ی نسبی مورد استفاده دردی مدولاسیون فرکانس می باشد و یا آن می تواند یک وسیله دیجیتالی شبیه یک کیثت انحصاری «OR » باشد .
اگر دو سیگنال به آشکار ساز فاز داده شوند ،که از لحاظ فاز و فرکانس یکسان باشد در این صورت آشکار ساز هیچ خروجی نخواهد داشت .
با وجود این ، اگر این سیگنال ها از لحاظ فرکانس و فاز یکسان نبا شد ،این اختلاف به یک سیگنال خروجی dc تبدیل می شود .
اختلاف فاز یا فرکانس در میان دوسیگنال بزرگتر باشد ؛ولتاژ خروجی بزرگتر خواهد بود .
به شکل شماره 4 نگاه کنید .
خروجی های vco و اسیلاتور کریستال با یک آشکار ساز فاز ترکیب شده اند و هر گونه اختلافی به یک خروجی ولتاژ dc منتهی خواهد شد .
فرض کنیم که این ولتاژ dc به یک اسیلاتور کنترلی ولتاژی فیربک شده است .
به طریق که آن خروجی vco را به فرکانس اسیلاتور کریستال می راند .
سرانجام vco بر روی فرکانس اسیلاتور کریستال قفل خواهد شد .
این پدیده به اصطلاح حلقه قفل فاز خوانده می شود تنها قسمتی از خروجی vco لازم است که به آشکار ساز فاز فرستاده شود .
وباقی مانده آن می تواند به عنوان خروجی قابل استفاده باشد .
فرض کنید که فرکانس کریستال ما IOMHZ باشد ولی ما بخواهیم که VCO برروی 2OMHZ عمل کند البته آشکار ساز فاز که اختلاف فرکانس را آشکار خواهد کرد وvco راتا iomhz پایین خواهد کشید .
چه می شد اگر ما می توانستیم آشکار ساز فاز را مجبور کنیم به این تفکر که vco واقعا ٌ یک عمل کننده بر روی iomhz باشد .
زمانی که حقیقتاٌبر روی2omhz عمل می کند به شکل 5 نگاه کنید .
فرض کنیم به طور مثال درشکل 4 مایک مقسم چهار تایی به جای دوتایی استفاده می کردیم .
که دراین صورت درحالت قفل Vco هنوز در فرکانس 4omhz به پایداری فرکانس مرجع کریستال می رسید .
نوسان سازی هایی وجود دارد که در یک رنج وسعیی از فرکانس ها عمل می کنند .
اسیلاتورهای فرکانس متغییر vfo باعث تغییر فرکانس به وسیله تغییر دادن یکی از مدارهای تعیین شده فرکانس می شوند .
موَ لفه های Pll آشکار ساز فاز :اجازه بدهید نگاهی به اساس آشکار ساز و فاز بیاندازیم .در حقیقت دو نوع آشکار ساز فاز داریم .
نوع یک و نوع دو نوع یک آشکار ساز فاز ؛ طوری طراحی شده است که با سیگنال آنالوگ یا سیگنال موج مربعی دیجیتالی عمل می کند و نوع دو آشکار سا زفاز به وسیله سیگنال گذر ادیجیتال (لبه ها ) کار می کند .
ساده‌ترین آشکار ساز فاز نوع یک ؛ یک گیت انحصاری or است شکل شماره را ببینید .
بوسیله یک فیلتر پایین کذر ،نموداری از ولتاژ خروجی در برابر اختلاف فاز نسبت به ورودی موج مربعی با دوره زمانی 50% نشان داده شده است .
نوع یک،آشکار ساز فاز ،به ولتاژ خروجی در مقابل مشخصات فاز شبیه است .
اگر چه مدارات درونی واقعا ٌ یک «مالتی پلیر چهار گوشه » هستند و همچنین یک «میکرتعادل کننده » نامیده می شوند .
امروزه مهندسان به صورت ثابت درطراحی مدارهای pll رقابت می کنند .
زیرا سطح نویز فاز وخصوصیات بنیادی سیکنال های نویز ،بویژه درطراحی شبکه های رادیویی و بی سیمی مهم هستند در طراحی امروزه ترکیب کننده ها ،در سرعت سؤچینگ pll هایی که دارای پارامتر های بحرانی هستند و بویژه برای شبکه های مدرن از جمله wlans وwedma و تکنولوژی بلوتوس مورد استفاده قرار می گیرد .
برای سرعت سؤچنگ حلقه سیگنال احتیاج به رقابت درطراحی pll احساس می شود .
سرعت به طور عمده تا بمی از پنهای باند حلقه است .
اما در بیشتر مواردپنهای باند حلقه نمی تواند به دلیل محدودیت های نویز فاز بیش از اندازه گسترش یابد .
نوع دوم آشکار ساز فاز تنها حساس به زمان وابسته به لبه ی سیگنال و ورودی VCO است که در شکل شماره 6 نشان داده شده است .
مدار مقایسه گر فاز بزرگتر از پالسهای خروجی پیش فاز و پس فاز که اینها وابسته به خروجی VCO منتقل شده هستند که به ترتیب بعد یا پس از انتقال سیگنال مرجع اتفاق می افتد .
پنهای این پالس ها با زمان بین لبه های مربوطه برابر است .
مدار خروجی به تر تیب جریان پاسخ دهید را در طول پالسها سینک یا سورس می کند .
با این حال مدار با ز است .
و میانگین ولتاژ خروجی در مقابل اختلاف فاز بزرگتر است ؛شبیه آنچه درشکل 7 نشان داده شده است .
این به طور کامل به دور ه زمانی سیگنال ورودی وابسته است .
بدون شباهنگ به موقعیت مقایسه گر فاز نوع یک که اخیراٌبحث شد .
به عبارت بهتر خصوصیات این آشکار ساز فاز در حقیقت این است که تمام پالس های خروجی وقتی دوسیگنال قفل می کنند ،ناپدید می شوند .این معنی می دهد که دراشکار ساز نوع اول هیچ ریپلی درخروج موجود نیست تا در حلقه مدولاسیون با فاز دوره ای تولید شود .
همیشه ،اختلاف زیادی بین دو نوع آشکار ساز های فاز وجود دارد آشکار ساز نوع اول همیشه در خروج ،موج تولید می کند که با ید به وسیله فیلتر حلقه ،فیلتر شود .
بنابر این در یک pll با آشکار ساز نوع اول ،فیلتر حلقه مانند فیلتر پایین گذر عمل می کند تاسیگنال خروجی منطقی در حالت اوج را صاف کند .
اما همیشه ریپلی باقی خواهد ماند .
و این نتیجه نوسا نهای فاز دوره ای در یک حلقه است .
در مدارهایی که حلقه های قفل فاز برای ضرب یا ترکیب فرکانس استفاده می شود ؛ «کنار باند مدولاسیون فاز » با سیگنال خروجی جمع می شود .
آشکار ساز فاز نوع دو تنها زمانی پالسهای خروجی تولید می کند که خطا ی فاز بین سیگنال منبع وvco وجود داشته باشد .
چون خروجی آشکار ساز فاز شبیه مدار باز است .
که خازن فیلتر حلقه به عنوان قطعه ی ذخیره ولتاژ عمل کرده و ولتاژ ی که از فرکانس vco مستقیماٌداده می شود را نگه می دارد.
اگر سیگنال مرجع دور از فرکانس حرکت کند ، آشکار ساز فاز یک ردیف پالس های کوتاه تولید می کند ؛و خازن با ولتاژ جدید برای گذاشتن vco قبلی در داخل قفل شارژ (یا دشارژ )می شود .
دومین صورت pll به طور اساسی در طراحی ها تکنولوژی ترکیب کننده های بکار می رود بیشتر pll به طور اختصاصی برای ترکیب کننده هایی که سه و چهار حلقه معمول دارند طراحی می شوند .
که از یک ترمینولوژی مختلف استفاده شده و بیشتر دارای فاز وبهره حلقه باز هستند lm567 یک تراشه عمومی پرکاربرد حلقه قفل فاز است که شامل ،پایداری بالا ،اسیلاتور کنترل شده ی ولتاژ خطی بالاvco دی مدولاسیون fm اعوجاج کم و دوبرابر کننده بالایس آشکار ساز فاز با یک حاصل خوب است .
این تراشه دارای 8 پایه می باشد که پایه 1 آن به وسیله خازن به زمین وصل می‌شود که به عنوان فیلتر خروجی عمل می کند .مقدار این خازن باید تقریباٌ دوبرابر خازن پایه شماره 2 است و دررنج میکروفاراد قرار دارد .
با استفاده از پایه یک مطالعه می توان حساسیت مدار را کنترل کر د اگر بخواهیم حساسیت مدار را افزایش دهیم باید پایه یک را از طرفی با یک مقاومت به تغذیه وصل کنیم و از طرف دیگر با خازن به زمین ؛که مقاومت r و خازن به صورت سری قرار می گیرند .
اما اگر بخواهیم حساسیت مدار را کاهش دهیم پایه یک را با مقاومت r و خازن به صورت موازی به زمین وصل می کنیم .
پایه شماره 2 که یک فیلتر پایین گذراست با خازن به زمین وصل می شود .
همچنین با استفاده از این پایه می توان سرعت عملکرد تراشه را کنترل کرد به این صورت که هر چه مقدار مینیمم شود ، سرعت عملکرد ماکزیمم می شود ومقدار خازن با مقدار سرعت نسبی معکوس دار د.
پایه شماره 3 ، ورودی تراشه است .
این پایه درحقیقت فاز یا فرکانس را که قرار است با فاز یا فرکانس اسیلا تور داخلی تراشه ،vco مقایسه شود ودر یک فاز یا فرکانس برابر قفل کند ؛ را وارد تراشه می کند .
بهتر است قبل از ورود ی پایه 3 ، یک خازن در حدود نانو فاراد استفاده شود .
پایه شماره 4پایه تغذیه یا vcc است .
این پایه تنها پایه تغذیه مدار می باشد ودر مدار تغذیه منفی نداریم .
مقدار تغذیه این تراشه بین 5 ولت تا 12 ولت می باشد وبهترین ولتاژ مورد استفاده 9 است .
پایه شماره 5 وپایه شماره 6 یک مقاومت یک مقاومت وصل می شود واز طرف دیگر پایه 6به وسیله خازن زمین می شود.
وخازن ومقاومت زوجی را تشکیل می دهند که با شارژ و دشارژ شدن خازن توسط مقاومت ،یک اسلاتور کنترل شده ولتاژ vco به وجود می آید .
در حقیقت این دوالمان مقدار فرکانس vco را نیز مشخص می کنند .
فرکانس داخلی از فرمول زیر به دست می