حلقه قفل‌شده فاز

ساختار و عملکرد

مکانیزم‌های حلقه با فاز قفل شونده می‌تواند به عنوا ن مدارهای آنالوگ یا دیجیتالی اجرا شود. هر دو از این اجراها، ساختار پایه‌ای یکسانی را بکار می‌برند.

قیاس مکانیکی

میزان کردن یک سیم پیانو را می‌توان با عملکرد حلقه با فاز قفل شونده مقایسه کرد
با استفاده از یک دیاپازول یا Pitch pipe برای بدست آوردن فرکانس مرجع، کشش سیم بالا یا پایین تنظیم می‌شود تا اینکه فرکانس ضربه‌ای نارسا شده و شنیده نمی‌شود (اصطلاحاً این یک مثالی از «حلقه با فاز قفل شونده» فرکانس است زیرا فاز مرجع و سیم تنظیم‌کننده، برای تنظیم پیانو جزئی و بی اهمیت هستند)
قیاسی دیگر، هم‌زمان‌سازی بخش‌های چرخشی است. مثال رایج، گیر افتادن هم‌زمان چرخ دنده‌ها در انتقال دستی یک اتومبیل است. زمانی که دنده‌ها به هنگام حرکت اتومبیل تغییر می‌کند، چرخ دنده‌ها با سرعت‌های متفاوتی در چرخش هستند. این سرعت‌ها باید با هم منطبق باشند و دندانه‌های حلقه سنکروزاسیون، قبل از اینکه تغییر کامل شود باید همراستا شوند. (یا صدای سابیده شدن به گوش خواهد رسید)
حلقه با فاز قفل شونده دیجیتال:۲۲۳
مدارهای PLL دیجیتال اغلب به عنوان سینتی سایزهای کلاک اصلی برای میکروپروسسور ومؤلفه‌های کلیدی گیرنده/ فرستنده‌های ناهم‌زمان جامع (UARTs) بکار می‌رود.
ساختار یک PLL دیجیتال، شبیه PLL آنالوگ (و در بعضی موارد ساده از آن) است.
مکانیزم کنترل در یک PLL دیجیتالی به صورت یک «ماشین حالت محدود» بکار می‌رود.
آشکارساز فاز می‌تواند یک دستگاه سیستم سنجش و مقیاس ساده باشد. مؤلفه اسیلاتور متغیر PLL، ممکن است با استفاده از یک منبع زمانی (همانند یک اسیلاتور کریستالی)، دو کانتر (بالا و پایین رونده) و یک سیستم مقایسه‌کننده دیجیتالی، کار کند
میزان زیادی از یک PLL دیجیتالی با به کار بردن سیستم‌های منطقی قابل برنامه‌ریزی خیلی کوچکی اجرا می‌شوند.
حلقه با فاز قفل شونده آنالوگ:
طرح پایه
PLLهای آنالوگ به‌طور کلی از یک آشکارساز فاز، فیلتر پایین گذر و اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ (VCO) ساخته شده اندکه در یک وضعیت بازخورد منفی قرار دارند.
ممکن است در مسیر بازخورد یا در مسیر مرجع یا هردو مسیر یک تقسیم‌کننده فرکانس وجود داشته باشد، تا کلاک خروجی PLL را به عدد صحیح چند مبنایی تبدیل کند. یک عدد مضرب غیر صحیح از فرکانس مرجع می‌تواند با جایگزینی تقسیم بر کانتر N در مسیر بازخورد با یک کانتر شالوینگ ضربه قابل برنامه‌ریزی، به وجود آید. این تکنیک معمولاً به ترکیب‌کننده کسری N یا PLL کسری N (fractional-NPLL اشاره می‌کند.
اسیلاتور یک سیگنال متناوب در خروجی تولید می‌کند. تصور کنید که اسیلاتور، در ابتدا بمانند سیگنال مرجع، تقریباً در فرکانس خود ثابت است. پس اگر فاز اسیلاتور نسبت به فاز مرجع، افت کند، آشکارساز فاز باعث می‌شود که شارژ پمپ، ولتاژ کنترلی را تغییر دهد، به‌طوری‌که سرعت اسیلاتور افزایش پیدا می‌کند. به همین صورت، اگر فاز اسیلاتور جلوتر از فاز مرجع باشد آشکارساز فاز باعث می‌شود که شارژ پمپ با تغییر تنظیم ولتاژ، سرعت اسیلاتور را پایین آورد. فیلتر پایین گذر، سراشیبی ورودی کنترل را از شارژ پمپ صاف می‌کند. چون در ابتدا ممکن است اسیلاتور دورتر از فرکانس مرجع باشد، آشکارسازهای فاز عملی می‌توانند به اختلاف فازها پاسخ داده، و به این ترتیب، محدوده قفل ورودی مجاز را افزایش دهند.
بسته به کاربرد و استعمال، خروجی اسیلاتورکنترل شونده یا سیگنال کنترل اسیلاتور، خروجی مفیدی از PLL، فراهم می‌کند.
عناصر

آشکارساز فاز

یک بخش مهم حلقه کنترل شونده فاز، آشکارساز فاز است. آشکارساز فاز، فاز دو سیگنال ورودی آشکارساز مقایسه و یک خروجی تصحیح‌کننده می‌دهد و این خروجی به اسیلاتور کنترل‌شده با ولتاژ(VCO) متصل می‌باشد تا همیشه فاز بین دو ورودی را صفر نگه دارد. دو سیگنال ورودی معمولاً فرکانس مرجع و خروجی تقسیم شده اسیلاتور محلی است.
چندین نوع آشکارساز فاز وجود دارد، ساده‌ترین آن گیت XOR است که اختلاف فاز ۹۰ درجه را حفظ می‌کند اما نمی‌تواند سیگنال را قفل کند مگر اینکه قبلاً به فرکانس نزدیک شده باشد. آشکار ساز پیچیده‌تر، یک State machine ساده به کار می‌برد تا تعیین کند که کدام دو سیگنال زودتر و اغلب موارد، تقاطع صفر دارد. این راه، PLL را به داخل قفل می‌آورد حتی زمانی که فرکانس وجود ندارد. این نوع به عنوان یک آشکارساز فرکانس فاز شناخته شده‌است.
تقویت‌کننده تربیعی، نیز به عنوان میکسر می‌تواند به مانند یک آشکارساز فاز بکار رود. با تقویت اسیلاتور و سیگنال‌های مرجع، این آشکارساز یک خروجی تولید می‌کند که از سیگنال فرکانس پایین تشکیل شده و دامنه آن مربوط به اختلاف فاز یا خطای فاز بین اسیلاتور و مرجع (Reference) می‌باشد و یک سیگنال ناخواسته دوم را از فرکانس اسیلاتور دارد که توسط یک فیلتر پایین گذر، حذف می‌شود.
یک PLL با یک آشکارساز پمپ شارژ Bang – bang، پالس‌هایی با بار ثابت، مثبت منفی، به خازن وارد می‌کند تا این خازن به عنوان یک مدار انتگرال گیر خازنی عمل کند. آشکارساز فاز برای یک پمپ شارژ Bang – bang باید همیشه یک Dead band داشته باشد که در آنجا فازهای مرجع و کلاک‌های بازخورد آنقدر نزدیک هستند که آشکارساز هردو یا هیچ‌کدام از پمپ‌های شارژها بدون هیچ تأثیر کلی، fine می‌کند.
آشکارسازهای فاز Bang – bang ساده هستند، ولی در ارتباط با کوچک‌ترین پیک توپیک تعریف شده جیتر قرار دارند، زیرا در حلقه با فاز قفل شونده آفست دو ارزش نهایی band dead را بدون تحریک، تحمیل می‌کند.
آشکارساز فاز متناسب، پمپ شارژ را هدایت کرده تا مقدار شارژ را در خطای آشکارساز فاز، بدست آورد. گرچه بعضی آشکارسازهای فاز متناسب، dead bandهایی دارند، اما بعضی هم از آن محرومند. به‌طور ویژه، بعضی طرح‌ها هر دو کنترل پالس «بالاً و» پایین" را حتی هنگامی که فاز آفست صفر است، تولید می‌کنند.
این پالس‌ها مدت کوتاه یکسانی داشته و باعث می‌شود که پمپ شارژ در زمانی که فاز کاملاً انطباق دارد، پالس‌های جریان مثبت و منفی بار برابر را تولید کند. اگر ورودی‌ها به‌طور ناچیزی با هم عدم تطبیق داشته باشند، هم پالس بالا یا پایین کمی بار بیشتری از دیگری خواهد داشت و PLL قادر خواهد بود تا آفست را تصحیح کند.
PLLهایی با این نوع سیستم نظارت، یک dead band را نمایش نمی‌دهد و به نوعی،
کوچک‌ترین پیک توپیک جیتر سطح پایینی دارند که توسط سازه‌های محدودکننده تعیین می‌شوند.

اسیلاتورهای LC

اسیلاتور القایی (اوسیلاتور LC) از یک مدار تانک LC ساخته شده‌اند که با شارژ و دشارژ کردن یک خازن از طریق یک سلف، نوسان می‌کند. این اسیلاتورها، در زمانی که یک منبع فرکانس قابل کنترل لازم باشد (مثل فرستنده گیرنده‌های رادیویی) نوعاً کاربرد دارند. بیشتر اسیلاتورهای LC، از القاگرهای off-chip را بکار می‌برند.
القاگرهای on-chip از اتلاف زیاد توان ورودی آزار می‌یابند، به گونه‌ای که Q ناشی از مدار تانک، کمتر از ۱۰ است. هر چه فرایندها، شمار بیشتری از ورقه‌های فلزی را تولید کند، القاگرهای on-chip، مفیدتر و سودمند می‌شوند.
یک خازن کنترل شونده با ولتاژ، روشی است که یک اسیلاتور LC را وادار می‌کند که فرکانسش را در پاسخ به یک ولتاژ کنترلی، تغییر دهد. هر دیود نیمه هادی با بایاس معکوس، میزانی از ظرفیت الکتریکی خازن وابسته به ولتاژ را نشان می‌دهد و می‌تواند بکار رود تا فرکانس یک اسیلاتور را با تغییر یک ولتاژ کنترلی بکار رفته برای دیود، تغییر دهد. دیودهای با ظرفیت الکتریکی متغیر varactor با دامنه وسیعی از مقدار الکتریکی خازنی وجود دارند. چنین دستگاهایی در تولید اسیلاتورهای کنترل شونده با ولتاژ، بسیار مناسب هستند.

اسیلاتورهای کریستالی

اسیلاتورهای کریستالی، بلورهای کوارتز پیزو الکتریک هستند که به‌طور مکانیکی بین دو شکل با تفاوت جزئی، نوسان می‌کنند. بلورها ضریب مرغوبیت (Q) خیلی بالایی دارند و فقط می‌توانند در دامنه کوتاهی از فرکانس‌ها، کنترل شوند. اسیلاتورهای کریستالی به عنوان مرجع فرکانس در PLLهای دیگر بکار می‌روند، و تقریباً در هر دستگاه الکترونیک مصرف‌کننده، یافت می‌شوند. چون این کریستال یک مؤلفه off-chip به‌شمار می‌رود، که بعضی هزینه‌ها و پیچیدگی را به طرح سیستم اضافه می‌کند، اما کریستال به خودی خود، کم خرج و ارزان است.

قطعات موج صوتی سطحی (SAWs)

قطعات موج صوتی سطحی (SAWs)، یک نوع اسیلاتور کریستالی هستند، اما با برقراری موج ایستاده بر سطح بلور کوارتز، نوسان‌های بیشتری پیدا می‌کنند. این قطعات، گرانتر از اسیلاتور کریستالی هستند، و در بیشتر کاربردهای خاص که نیاز به مرجع فرکانس خیلی دقیق و مستقیم دارند، همانند تلفن‌های موبایل، بکار می‌روند.
برای اینکه یک PLL در داخل یک تراشه میکروپروسسور، ساخته شوند، اسیلاتورهای حلقه می‌توانند به عنوان اسیلاتور کنترل شونده با ولتاژ یک مولتی ویبراتور آزاد(VCO) بکار روند. آن‌ها از یک حلقه حالت‌های تأخیر فعال ساخته شده‌اند. در کل این حلقه، دارای تعداد تکی حالت‌های معکوس است، به گونه‌ای که وضعیت ثابتی برای ولتاژهای حلقه داخلی وجود ندارد. در عوض، یک انتقال تکی نا محدود در اطراف این حلقه انتشار می‌یابد. این فرکانس با تغییر ولتاژ ورودی یا بار خازنی در هر مرحله، کنترل و تنظیم می‌شود. مجموعاً VCO، پایین‌ترین ضریب مرغوبیت را از اسیلاتورهای بکار رفته، نشان می‌دهند و بنابراین از جیتر Jitter بیشتری نسبت به انواع دیگر، رنج می‌برد. این Jitter به نسبت پایینی می‌تواند برای بسیاری از کاربردها ایجاد شود، که در این‌طور موارد VCO از مزایای نداشتن مؤلفه‌های off-chip (گرانی) یا القاگرهای on-chip (بازده کم در فرایند CMOS) بهره‌مند می‌شود. همچنین این اسیلاتورها نسبت به انواع دیگر از دامنه گسترده‌ای از کنترل و تنظیم برخوردارند، که بازده را افزایش می‌دهد و گاهی، صورتی از تولید نهایی محسوب می‌شود.