Fiksētas fāzes kontūrs

Vēsture

Vāji saistītu svārsta pulksteņu spontānu sinhronizāciju pieminēja holandiešu fiziķis Kristiāns Heigenss jau 1673. gadā. 19. gadsimta beigās lords Relejs novēroja vāji saistītu ērģeļu cauruļu un toņdakšu sinhronizāciju. 1919. gadā V. H. Ekless un J. H. Vinsents atklāja, ka divi elektroniski svārstību ģeneratori, kuru svārstību frekvences bija noregulētas ar nelielu atšķirību, bet bija saistīti ar rezonējošu elektrisko ķēdi, drīz sāka svārstīties ar vienu frekvenci. Elektronisku svārstību ģeneratoru automātisku sinhronizāciju aprakstīja Edvards Viktors Apltons 1923. gadā.
Pirmā pētniecība, saistīta ar fiksētas fāzes kontūru, tika sākta 1932. gadā, kad angļu pētnieki izstrādāja alternatīvu Edvīna Ārmstronga superheterodīna uztvērējam, kuru nosauca par homodīna jeb tiešās pārveidošanas uztvērēju. Homodīnā sistēmā lokālā svārstību ģeneratora frekvence tika noregulēta uz vēlamo frekvenci un reizināta ar uztverto ieejas signālu. Rezultātā tika iegūts oriģinālais modulētais signāls. Pētniecības darba mērķis bija izveidot alternatīvu uztvērēja sistēmu, kuras elektriskā shēma būtu principiāli vienkāršāka nekā superheterodīna uztvērēja risinājumiem. Tā kā lokālā svārstību ģeneratora frekvence strauji dreifēja, tādēļ automātisks korekcijas signāls tika pievadīts svārstību ģeneratoram, lai nodrošināto nemainīgas fāzes un frekvences signālu. Metodi aprakstīja Henrijs de Bellescize Frenču žurnālā L'Onde Électrique  1932. gadā.
1930. gadu beigās fiksētas fāzes kontūrus izmantoja analogās televīzijas horizontālās un vertikālās izvērses shēmās, kuras tika fiksētas uz sinhronizācijas impulsiem pārraides signālā.
Metodes pielietojumu skaits daudzkāršojās pēc 1969. gada, kad ražotājs Signetics ieviesa monolītās integrālās shēmas, piemēram, NE565, kuras bija pilnvērtīgas fiksētas fāzes kontūra sistēmas vienā mikroshēmā. Dažus gadus vēlāk ražotājs RCA ieviesa mazjaudīgu KMOP fiksētas fāzes kontūra integrālo shēmu CD4046, kas iemantoja ļoti lielu popularitāti.

Takts signāla atjaunošana

Dažās datu plūsmās, it īpaši liela ātruma seriālo datu plūsmās, piemēram, no cietā diska magnētiskās galvas, dati tiek nosūtīti bez takts signāla. No datu plūsmas uztvērējs ģenerē tuvinātu references takts signālu un veic fāzes regulēšanu, izmantojot fiksētas fāzes kontūru. Šo procesu mēdz dēvēt par takts signāla atjaunošanu. Lai šāda elektriskā shēma darbotos, datu plūsmas pārraides frekvencei ir jābūt spējīgai labot jebkuru fiksētā fāzes kontūra svārstību ģeneratora frekvences dreifēšanu. Parasti tiek izmantotas datu plūsmas kodēšanas metodes, piemēram, 8b/10b kodēšana (angliski: 8b/10b encoding), kur 8 bitu informācija tiek kodēta ar 10 bitiem, lai nodrošinātu pietiekamu daudzumu stāvokļu maiņu datu plūsmā.

Aizkaves fiksēšana

Ja takts signāls tiek nosūtīts paralēli datu plūsmai, tad to var izmantot, lai diskretizētu saņemto datu plūsmu. Tā kā saņemto takts signālu ir nepieciešams pastiprināt, lai tas būtu spējīgs kontrolēt diskretizācijas trigerus, tad procesā tiks iekļauta galīga, pastiprinājuma, temperatūras un sprieguma atkarīga laika aizkave starp saņemto takts impulsu un saņemto datu plūsmas impulsu. Lai atrisinātu šo problēmu, uztvērēja shēmā nepieciešams iekļaut fiksētas fāzes kontūru, kas nodrošinās saņemtā takts signāla fāzes fiksēšanu ar saņemtajiem datiem. Šim pielietojumam tiek izmantots speciāla tipa fiksētas fāzes kontūrs, kuru sauc par fiksētas aizkaves kontūru (angliski: Delay-locked loop).

Takts signāla ģenerēšana

Daudzās elektroniskās sistēmās tiek izmantoti dažādu tipu procesori, kuri var veikt strādāt ar vairāku simtu megahercu takts frekvenci. Parasti takts signāls šādiem procesoriem tiek izveidots, izmantojot fiksētas fāzes kontūra shēmu, kur zemākas frekvences svārstību ģeneratora signāla frekvence (tipiski 50 vai 100 MHz) tiek daudzkāršota līdz nepieciešamajai darbības frekvencei. Reizinātāja vērtība var būt ļoti lieta gadījumos, kad procesora darbības frekvence ir vairāki gigaherci, bet references svārstību ģeneratora frekvence tikai daži desmiti vai simti megahercu.

Spektrālās enerģijas izkliedēšana

Visas elektroniskās sistēmas nevajadzīgi izstaro radio frekvenču (RF) enerģiju. Dažādas regulējošās iestādes, piemēram, ASV tā ir Federālā komunikāciju komisija (angliski: FCC), Eiropā - CE marķēšana, nosaka elektroierīces atļautās izstarotās enerģijas daudzumu un tās radītās interferences zonu. Vispārīgi izstarotais trokšņa signāls paradās kā asas spektrālās komponentes (parasti darbības frekvence un dažas tās harmonikas frekvences). Sistēmas veidotājs var izmantot spektra izkliedes fiksētas fāzes kontūru (angliski: Spread-spectrum PLL), lai samazinātu interferenci ar augsta labuma (angliski: High-Q) signālu uztvērējiem, kur izstarotā enerģija tiek izkliedēta lielā spektrālajā apgabalā. Piemēram, palielinot vai samazinot darba frekvences vērtību par nelielu vērtību (aptuveni 1%), ierīce, kura darbojas ar simts megahercu lielu frekvenci var izplatīt izstarotās enerģijas apjomu dažu megahercu diapazonā, kas krasi samazina uztvertā trokšņa apjomu FM radio kanālos, kuru joslas platums ir vairāki desmiti kilohercu.

Takts signāla izplatīšana

Bieži references signāls tiek padots mikroshēmai un nodrošina fiksētas fāzes kontūra (FFK) darbību, kuru izmanto sistēmas takts signāla izplatīšanas bloku. Takts signāla izplatīšana parasti tiek veikta tā, lai takts signāls katrā sistēmas ierīcē nonāktu vienlaicīgi. Viena no šādām ierīcēm ir pats fiksētas fāzes kontūrs, kurš tā ieejā saņem negatīvu atgriezeniskās saites signālu. Fiksētas fāzes kontūrs tiek izmantots, lai salīdzinātu izplatīto takts signālu ar references signālu, un tas maina frekvenci un fāzi tā izejas signālam tā, lai references signāla fāze un frekvence sakristu ar izejas signāla fāzi un frekvenci.
Fiksētas fāzes kontūri var tikt izmantoti dažādās sistēmas vietās – tie regulē takts signālu ierīcēs, kas atrodas vairāku metru attālumā, vai funkcionālajiem blokiem, kas atrodas uz tās pašas mikroshēmas. Dažreiz par references signālu izmanto ne tikai signālu no svārstību ģeneratora, bet datu plūsmu, no kuras ir iespējams efektīvi atjaunot takts signālu. Citreiz par references signālu var izmantot sistēmā izplatīto takts signālu vai references signāla racionālu frekvences daudzkārtni.

Trīces un trokšņa samazināšana

Viena no visām vēlamajām fiksētas fāzes kontūra (FFK) īpašībām ir references un atgriezeniskās saites signālu takts vienlaicīgu impulsu noregulēšana. Vidējā laika starpība starp abu signālu fāzēm, kad FFK ir fiksējis fāzi, tiek saukta par statisko fāzes novirzi (angliski: Static phase offset). Fāžu neatbilstība starp šiem diviem signāliem tiek saukta par sekošanas trīci (angliski: Tracking jitter). Ideālā situācijā statiskās fāzes novirze ir vienāda ar nulli un sekošanas trīces vērtība ir maksimāli zema.
Fāzes troksnis (angliski: Phase noise) ir papildus trīces veids, kas tiek novērots FFK shēmās. To izraisa regulējamais svārstību ģenerators un tā kontroles shēmas elementi. Šī iemesla dēļ dažas FFK tehnoloģijas darbojas labāk nekā citas. Labākie digitālie FFK ir veidoti uz kop-emitera loģikas elementu bāzes, tomēr tie patērē daudz enerģijas. Lai būtu iespējams izveidot sistēmu ar zemu fāzes troksni, nepieciešams izvairīties no uz tranzistoru-tranzistoru loģikas bāzētu mikroshēmu vai uz KMOP loģikas bāzētu mikroshēmu izmantošanas.
Papildus vēlama FFK sistēmas īpašība ir nemainīga ģenerētā takts signāla fāze un frekvence, strauji mainoties sprieguma līmeņiem barošanas un zemējuma ķēdēs, kā arī sprieguma līmeņa ietekmei atkarībā no substrāta uz kura FFK mikroshēma ir ražota. To sauc par substrāta un barošanas trokšņa atgrūšanu (angliski: Power supply rejection ratio).
Lai papildus samazinātu fāzes trokšņa līmeni, FFK sistēmās aiz ar spriegumu regulējamā svārstību ģeneratora, tiek izmantoti barošanas fiksēti svārstību ģeneratori (angliski: Injection-locked oscillator).

Frekvences sintezēšana

Digitālajās bezvadu komunikāciju sistēmās (GSM, CDMA u.c.) fiksētas fāzes kontūrs tiek izmantots, lai nodrošinātu frekvences augšup-pārveidošanu signāla raidīšanas laikā vai frekvences lejup-pārveidošanu signāla uztveršanas laikā. Lielākajā daļā mobilo iekārtu šīs funkcijas ir iebūvētas vienā integrālajā shēmā, kas samazina ierīces izmaksas un lielumu. Tomēr, lai nodrošinātu augstu veiktspēju bāzes staciju termināliem, raidīšanas un uztveršanas elektriskās shēmas tiek veidotas no diskrētām komponentēm, lai nodrošinātu nepieciešamos parametrus. GSM lokālie svārstību ģeneratoru moduļi tiek veidoti izmantojot frekvences sintezētāja integrālo shēmu un diskrētu ar spriegumu regulējamu svārstību ģeneratoru (SRSĢ).

Bloka diagramma

Fāzes detektors salīdzina divus ieejas signālus un izvada kļūdas signālu, kurš ir proporcionāls to fāzes starpībai. Kļūdas signāls tiek filtrēts ar zemo frekvenču filtru un izmantots, lai kontrolētu ar spriegumu regulējamo svārstību ģeneratoru (SRSĢ). Rezultātā tas izveido signālu ar proporcionālu fāzes nobīdi. Izejas signāls tiek padots caur neobligātu frekvences dalītāju uz fāzes detektora ieeju, izveidojot negatīvu atgriezeniskās saites cilpu. Ja izejas signāla fāze sāk dreifēt vienā virzienā, tad kļūdas signāls pieaugs, kas liks ar spriegumu regulējamam svārstību ģeneratoram mainīt signāla fāzi pretējā virzienā, samazinot kļūdas lielumu. Rezultātā izejas signāla fāze ir fiksēta ar signāla fāzi otrajā fāzes detektora ieejā. Šo signālu sauc par references signālu.
Analogie fiksētas fāzes kontūri, galvenokārt, tiek veidoti izmantojot analogu fāzes detektoru, zemo frekvenču filtru un SRSĢ negatīvās atgriezeniskās saites konfigurācijā. Digitāls fiksētas fāzes kontūrs izmanto digitālu fāzes detektoru, kura atgriezeniskās saites ķēdē vai references signāla ķēdē, vai abās ķēdēs var būt frekvences dalītājs, lai izveidotu izejas signāla frekvenci kā references frekvences racionālu daudzkārtni. Reālo skaitļu daudzkārtnis references signāla frekvencei tiek izveidots, aizstājot vienkāršu skaitļa N dalītāju ar programmējamu daļskaitļa dalītāju. Šo tehniku mēdz saukt par fractional-N fiksētas fāzes kontūru.
Svārstību ģenerators izvada periodisku izejas signālu. Tiek pieņemts, ka sākotnēji regulējamā svārstību ģeneratora frekvence ir tuvu references signāla frekvencei. Ja ģenerētā signāla fāze atpaliek no references signāla fāzes, tad fāzes detektors maina kontroles sprieguma vērtību regulējamajam svārstību ģeneratoram, lai tas palielinātu ģenerētā signāla frekvenci. Līdzīgi, ja ģenerētā signāla fāze steidzas, tad kontroles spriegums uz regulējamo svārstību ģeneratoru tiek mainīts tā, lai tas samazinātu ģenerētā signāla frekvenci. Tā kā sākotnēji starpība starp regulējamā svārstību ģeneratora izejas signāla frekvenci un references signāla frekvenci var būt liela, tad fāzes detektors var reaģēt uz frekvenču starpību, tādā veidā palielinot fiksēšanas diapazonu atļautajiem ieejas signāliem.
Atkarībā no pielietojuma, regulējamā svārstību ģeneratora izejas signāls vai kontroles signāls uz regulējamo svārstību ģeneratoru nodrošina lietderīgu informāciju par fiksētas fāzes kontūra ķēdi.

Filtrs

Šo shēmas bloku mēdz dēvēt par FFK kontūra filtru, kurš tipiski ir zemfrekvences filtrs. Parasti šim filtram ir divas izteiktas funkcijas.
Pirmā funkcija ir noteikt kontūra dinamiku jeb to cik izveidotā dinamiskā sistēma ir stabila. Tas parāda kā kontūrs reaģē uz traucējumiem, kā izmaiņām references signāla frekvencē, izmaiņām atgriezeniskās saites dalītājā, vai sistēmas ieslēgšanas procesā. Izplatīti dizaina apsvērumi ir diapazons, kurā kontūrs ir spējīgs panākt fāzes un frekvences fiksāciju, piemēram, frekvences ievilkšanas diapazons (angliski: Pull-in range), fāzes fiksācijas diapazons (angliski: Lock range), notveršanas diapazons (angliski: Capture range), laika periods, cik ātri kontūrs panāk fāzes un frekvences fiksāciju, piemēram, fiksācijas periods (angliski: Lock time), fiksēšanas periods (angliski: Lock-up time), un svārstību rimšanas norises process. Atkarībā no pielietojuma, dizainā var būt nepieciešams viens vai vairāki šādi moduļi: vienkāršas proporcijas (pastiprinājums vai vājinājums), integrāļa (zemo frekvenču filtrs) un/vai atvasinātāja (augsto frekvenču filtrs). Biežāk apskatītie kontūra parametri ir kontūra pastiprinājuma rezerve (angliski: Gain margin) un fāzes rezerve (angliski: Phase margin). Lai izstrādātu šo funkciju, izmanto vispārējas koncepcijas kontroles teorijā, ieskaitot PID kontrolieri.
Otrais dizaina apsvērums ir references signāla frekvences enerģijas (pulsāciju) ierobežošana fāzes detektora izejā, ar kura signālu tiek kontrolēts ar spriegumu regulējams svārstību ģenerators (SRSĢ). References svārstību frekvences esamība SRSĢ ieejā veic frekvenču modulāciju (FM) un SRSĢ izejā ir novērojamas FM modulācijai tipiskās sānu joslas, kuras mēdz dēvēt par “references troksni” (angliski: Reference spurs). Zemo frekvenču filtra uzdevums ir vājināt šo fāzes detektora radīto enerģiju, bet tāpat ir iespējams izmantot digitālos joslu filtrus, lai noņemtu nevajadzīgās svārstības.
Filtra bloka dizains var būt atkarīgs no jebkura no šiem apsvērumiem, vai var būt komplekss process, kur pamīšus tiek izmantoti abu apsvērumu risinājumi. Tipiskākie kompromisi ir palielinot joslas platumu samazinās sistēmas stabilitāte vai pārāk liela svārstību vājināšana, lai iegūtu labāku stabilitāti, samazina sistēmas darbības ātrumu un palielina fiksēšanas laiku. Bieži fāzes troksnis tiek ietekmēts dažādu apstākļu dēļ.

Atgriezeniskās saites ķēde un neobligāts dalītājs

Fiksētas fāzes kontūri (FFK) var iekļaut frekvences dalītāju starp svārstību ģeneratoru un fāzes detektora atgriezeniskās saites ieeju, lai izveidotu frekvenču sintezētāju. Programmējams dalītājs ir īpaši noderīgs radio raidītāju pielietojumos, jo no viena stabila, precīza, bet dārga kvarca kristāla references svārstību ģeneratora ir iespējams izveidot lielu skaitu raidīšanas frekvenču.
Daži FFK tāpat iekļauj dalītāju starp references signāla izeju un fāzes detektora references ieeju. Ja dalītājs atgriezeniskās saites shēmā frekvenci dala ar skaitli  un references signāla frekvence tiek dalīta ar skaitli , tad šī metode atļauj FFK shēmai reizināt references signāla frekvenci ar  reizinātāju. Šāda pieeja varētu šķist nepareiza, jo iespējams pievadīt references signālu ar zemāku frekvenci, tomēr dažos gadījumos references frekvences vērtība var būt ierobežota kādu parametru dēļ, tad references dalītājs var izrādīties noderīgs.
Frekvences daudzkāršošanu var panākt fiksējot ar spriegumu regulējams svārstību ģeneratora (SRSĢ) izejas signālu uz n-to references signāla harmonikas frekvenci. Vienkārša fāzes detektora vietā var izmantot harmoniku jaucēju (angliski: Sampling mixer). Tas pārveido references signālu impulsu plūsmā, kas ir bagāta ar harmonikām. SRSĢ izejas signāla frekvence tiek pieskaņota vienai no harmonikām. Rezultātā vēlamais harmoniku jaucēja izejas signāls, kas atbilst starpībai starp n-to harmoniku un SRSĢ izejas signāla frekvenci, atrodas kontūra filtra caurlaides joslā.
Tāpat nepieciešams iekļaut to, ka atgriezeniskās saites ķēde nav ierobežota tikai ar frekvences dalītāju. Šajā ķēdē iespējams ievietot citus elementus kā frekvences reizinātāju vai jaucēju. Frekvences reizinātājs liks SRSĢ izejas signāla frekvencei būt references signāla frekvences daļskaitļa daudzkārtnim, piemēram, . Jaucējs var pārveidot SRSĢ izejas signāla frekvenci par fiksētu novirzes vērtību. Tāpat ir iespējams kombinēt šos elementus, piemēram, dalītāju aiz jaucēja, kas atļauj dalītājam strādāt ar zemāku frekvenci nekā SRSĢ izejas signāla, kas samazina kontūra pastiprinājuma zudumus.