Brevet FR2511563A1 — publié le 19830218

i DISPOSITIF DE VERROUILLAGE DE PHASE POUR FOURNIR A SA SORTIE DES SIGNAUX DONT LA FREQUENCE PEUT VARIER SUR UNE LARGE GAMME La présente invention concerne un dispositif de verrouil- lage de phase pour fournir à sa borne de sortie des signaux dont La fréquence peut varier sur une large gamme, dispositif comportant un oscillateur à commande de fréquence par tension (VCO) dont La sortie constitue Ladite borne de sortie, un détecteur de phase destiné à fournir des signaux de différence de phase pour La commande de fré- quence du VCO par L'intermédiaire d'un fi Ltre passe-bas, filtre prévu pour déterminer les caractéristiques de fonctionnement dudit dispositif, un diviseur de fréquence variable connecté entre Ladite sortie du VCO et une entrée du détecteur de phase et un osci L Lateur de référence dont la sortie est connectée à une autre entrée du dé- tecteur de phase. De tels dispositifs sont bien connus dans la technique. Ils sont utilisés notamment comme synthétiseurs de fréquences pour fournir des signaux dont La fréquence peut varier rapidement et prendre des valeurs précises. Une des exigences que l'on impose généralement aux si- gnaux de sortie de ces dispositifs est d'avoir une certaine pureté spectrale; or cette pureté n'est obtenue qu'en choisissant des valeurs bien déterminées des caractéristiques de fonctionnement (notamment la fréquence naturelle et le facteur d'amortissement) qui règlent le comportement des dispositifs Les caractéristiques dépen- dent du rapport de division et aussi de la non linéarité du VCO constitué le plus souvent à partir d'une diode à capacité variable. La valeur de ces caractéristiques choisies ne peut être garantie d'une extrémité à l'autre de la gamme. La-présente invention propose un dispositif du genre mentionné qui ne présente pas cet inconvénient de variation de caractéristiques d'une extrémité à l'autre de la gamme. Pour cela, un tel dispositif est remarquable en ce qu'il comporte, en outre, un circuit de variation de gain pour faire varier la valeur du signal de sortie du détecteur de phase et un circuit de mesure du signal appliqué à la commande de fréquence du-VC O pour faire varier le gain du circuit de variation afin de garder pratiquement constantes lesdites caractéristiques dans la gamme. La description suivante faite en regard des dessins annexés fera bien comprendre comment l'invention peut être réa- Lisée. La figure I montre un schéma de principe d'un dispositif conforme à l'invention. La figure 2 montre un schéma fonctionnel du dispositif de la figure 1. La figure 3 montre une courbe de VCO (tension fréquence). La figure 4 montre un exemple de réalisation de différents constituants d'un dispositif conforme à l'invention. Le dispositif montré à La figure 1 est constitué, tout d'abord, par un osci L Lateur à commande de fréquences par tension C 0); cet oscillateur porte la référence 10 et la borne de com- mande de fréquence la référence 11 A cette borne, on applique une tension qui agit sur une diode à capacité variable 12, par l'inter- médiaire d'une résistance 13 Cette diode 12 avec l'une des bobines de self-induction 141, 142, 143, 144, connectée en para Llèle au moyen d'un commutateur 15, fixe la fréquence de l'osci L Lateur Le circuit actif de l'oscillation est représenté par Le carré réfé- rencé par 16; on prélève dans ce circuit 16 l'oscillation pour la fournir à l'utilisation par l'intermédiaire de la borne 20 Un diviseur de fréquence 25 interconnecte cette borne 20 à une pre- mière entrée d'un détecteur de phase 30 Ce diviseur 25 divise la fréquernce du VCO par un nombre N variable en fonction des besoins de l'uti Lisation Ce nombre N est affiché sur des commandes de division 35 dont est muni le diviseur 25 La sortie d'un oscilla- teur de référence 40 est re Liée à La deuxième entrée du détecteur de phase 30 Le signal de sortie de ce détecteur est filtré par Le filtre 45 avant d'être appliqué à La commande 11. Le dispositif de La figure 1 est montré d'une manière fonctionnelle sous forme de bouc Le à la figure 2 Sur cette figure 2, les différentes cases 50, 51, 52, 53 représentent les fonctions de transfert des différents constituants du dispositif de La figure 1. La case 50 représente le gain K du détecteur de phase 30. La case 51 représente la fonction de transfert KF du filtre 45. La case 52 représente Le facteur de conversion Kv du VCO 10, c'est-à-dire le rapport entre La fréquence et La tension. La case 53 représente le diviseur N par lequel L'organe divise sa fréquence d'entrée. Si 8 représente la phase a une entrée du détecteur 30 et la phase de L'onde à la sortie 20, On peut écrire: o (s) K K K e (s) S v N Si on prend un fi Ltre 45 tel que sa fonction de trans- fert s'écrit par exemple: KF = 1 +Tl S ( 2) KF T 2 s o "s" est L'opérateur de LAPLACE et T 1 et T 2 des cons- tantes de temps, on montre que le comportement de La boucle est 4. défini par deux caractéristiques W N fréquence nature Lle et facteur d'amortissement. nr y NT 2 Kg Kv _ XT 1 ( 4) NT 2 2 On voit que ces paramètres varient en fonction de N et aussi de Kv La figure 3 montre un exemple de La variation de La fréquence f en fonction de la tension app Liquée à La commande du VCO 1, Le coefficient KV est La pente de La fonction et, sur La figure 3, on constate que cette pente varie d'un bout à l'autre -de la plage d'oscillation entre une valeur KVM et K Vm, ceci va encore aggraver Les variations de ces paramètres puisque pour La fréquence La plus basse N est faible et KV = KVM et, pour la fré- quence la plus haute, N est fort et KV = K Vm- Conformément à L'invention, Le dispositif de la figure 1 comporte, en outre, un circuit de variation de gain 60 pour faire varier La valeur du signal de sortie du détecteur dp phase et un circuit de mesure 62 du signal app Liqué à La commande 11 du VCO 10 pour faire varier le gain du circuit 60 afin de garder pratiquement constantes lesdites caractéristiques. Le principe de l'invention repose sur Les considéra- tions suivantes. On appe L Le: C (V) la courbe représentant La capacité d'une diode à capacité variable en fonction de la tension (V) app Liquée à ses extré- mités, k un facteur représentant le nombre de diodes à capacité va- riable Par exemple, k = l pour deux diodes montées en série et k = 2 pour deux diodes montées en para LLèLe, L l'inductance des bobines 141, 142, 143 ou 144. La fréquence "f" d'accord du circuit oscillant s'écrit alors: f = I 21 i ri E ( 5) k/T C (V) Le coefficient KV peut s'écrire: _df 1 1 d CC (V)l Kv df = x( ') x x VJ (-6) V d V 2 uî /IT/-1 k 2 C (V) 3/2 d V ou compte tenu de ( 5): K= f x ( 1) x x d EC (v):l Kv = f x ( V) d V c (v) d V ( 7) en divisant ( 7) par N: KV KV f x ( 1) x x d (V)l N N 2 C (V) d V f Or est la fréquence du signal fourni par l'oscillateur 40, donc une constante Par L'invention, on peut rendre constante quantité: 1 xd d EC (V)y C (V) d V C (V) d V ( 8) c'est la ( 9) quelles que soient les va Leurs de V, sans tenir compte de L et de k en jouant sur La valeur du gain de la boucle. Ainsi, pour toutes les gammes définies par la mise dans le circuit des selfs 141, 142, 143 ou 144, La compensation, selon l'invention,-de la quantité ( 9) est la m&me et rend cons- Kv tante, donc, La quantité qui intervient dans les équations ( 3) et ( 4) définissant les caractéristiques et g. n A La figure 4, on montre en détail, d'une part, la réalisation des circuits 30, 60, 45 qui sont combinés et, d'autre part, la réalisation du circuit 62. Le circuit 62 se compose de deux comparateurs 70 et 71 comparant la tension à la borne 11 avec deux sources de tension 72 et 73 fournissant respectivement une tension V 1 et V 2 à Leurs bornes Ces comparateurs 70 et 71 présentent une certaine hystéré- sis AV dé part et d'autre de la tension de référence: c'est-à- dire lorsque la tension à la borne 11 part de la tension O volt, les comparateurs 70 et 71 fournissent à leur sortie Leur tension de saturation positive puis, lorsque la tension à La borne 11 atteint la valeur V 1 + AV la tension de sortie du comparateur 71 passe à O volt, puis, lorsque la tension à la borne 11 atteint la valeur - V 2 + QV c'est au tour de la tension de sortie du comparateur 70 de prendre la valeur O volt Lorsque la tension descend, il faut atteindre respectivement les valeurs V 2 AV et Vl AV pour faire changer la tension de sortie des comparateurs 70 et 71 Ces deux tensions V 1 et V 2 déterminent trois zones pour La caractéristique fréquence-tension du VCO; ceci est suffisant en pratique. Le détecteur de phase 30 est élaboré à partir d'un dé- tecteur de fréquence et de phase 79 (circuit MOTORALA MC 4 344 ou MC 4 044) Ce circuit comporte deux sorties U et D La sortie D commande la mise en route d'un générateur de courant 80 représenté symboliquement tandis que la sortie U commande un générateur de courant 81 représenté en détail Pour expliquer le fonctionnement d'un tel circuit, on peut se référer à l'article de Floyd M. GARDNER paru dans la revue IEEE Transactions on Communications, vol COM 28, n 11 de Novembre 1980 et intitulé: "Charge Pump Phase Lock Loops" Cependant, il convient de remarquer que le montage représenté à la figure 4, à la différence de ceux décrits dans ledit article, n'est pas symétrique du fait de la présence d'un générateur de courant 83 injectant un courant au niveau de La borne 11; ainsi, à la condition d'équilibre de La boucle, seule la sortie U est active et stabi Lise le circuit avec une diffé- rence de phase de, par exemp Le, 10 degrés La sortie D n'est alors active que pour la phase d'acquisition Ainsi, à l'équilibre, le générateur de courant 81 pourra fournir des courants de diffé- rentes valeurs en fonction des signaux de sortie du circuit 62 Ce générateur de courant est constitué tout d'abord d'un premier tran- sistor 90 dont le collecteur est connecté à la borne 11, la base, à la sortie U du circuit 79 et dont l'émetteur est connecté au collecteur de deuxième et troisième transistors 91 et 92, par l'in- termédiaire de résistances 95 et 96 L'émetteur du transistor 90 est aussi connecté à l'extrémité d'une résistance 97 dont L'autre extrémité est connectée à la masse Les émetteurs des transistors 91 et 92 sont connectés également à la masse, tandis que leurs ba- ses sont connectées respectivement aux sorties des comparateurs 70 et 71 du circuit 62. Le fonctionnement du générateur de courant est le suivant: La valeur du courant est déterminée par les valeurs des résistances 95, 96 et 97 Les valeurs des résistances 95 et 96 ne participent que si les transistors 91 et 92, se comportant comme des interrupteurs, sont rendus conducteurs En se reportant à l'article précité, on voit que la valeur de courant fourni par Le générateur 81 ast liée proportionne L Lement à La valeur du gain de la boucle Le circuit branché entre la borne 11 et la masse, formé de la résistance 98 et du condensateur 99 en série, détermine La fonction de transfert du circuit 45, mais aussi constitue un fil- tre des impulsions de courant fourni par les générateurs 80 et 81. REVENDICATIONS 1 Dispositif de verrouillage de phase pour fournir à sa borne de sortie, des signaux dont la fréquence peut varier sur une Large gamme, dispositif comportant un osci L Lateur à commande de fréquence dit VCO dont la sortie constitue ladite borne de sortie, un détecteur de phase destiné à fournir des'signaux de différence de phase pour la commande de fréquence du VCO par L'intermédiaire d'un filtre passe-bas prévu pour déterminer les caractéristiques de fonctionnement dudit dispositif, un diviseur de fréquence va- riable connecté entre La sortie dudit VCO et une entrée du détec- teur de phase et un oscillateur de référence dont La sortie est connectée à une autre entrée du détecteur de phase, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, un circuit de variation de gain pour faire varier La valeur du signal de sortie du détecteur de phase et un circuit de mesure du signal appliqué à La commande de- fréquence du VCO pour faire varier le gain du circuit de variation afin de garder pratiquement constantes lesdites caractéristiques dans la gamme. 2 Dispositif de verrouillage de phase selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que le détecteur de phase et le filtre sont constitués par un réseau d'intégration d'impu Lsions de courant calibré fournies par au moins un générateur de courant mis en route par des impulsions d'écart de phase et par un circuit pour fournir des impulsions d'écart de phase en fonction de la diffé- rence de phase des signaux de sortie du diviseur de fréquence et de l'oscillation de référence. 3 Dispositif de verrouillage de phase selon la revendica- tion 2, caractérisé en ce qu'au moins un générateur de courant est muni d'au moins une borne de commande pour faire varier La valeur du courant calibré, ces bornes de commande étant reliées aux sor- ties du circuit de mesure. 4 Dispositif de verrouillage de phase selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le circuit de mesure est formé d'au moins un comparateur. 5 Dispositif de verrouillage de phase selon la revendica- tion 4, caractérisé en ce que le ou les comparateurs présentent une certaine hystérésis.