Giáo trình điện tử thông tin - Chương 6

71

Chơng 6

Vòng khoá pha PLL
trong điện tử thông tin
6.1 Tổng quan về Vòng khoá pha (Phase Locked Loop - PLL)
Vòng khoá pha PLL l hệ thống vòng kín hồi tiếp, trong đó tín hiệu hồi tiếp dùng
để khoá tần số vμ pha cđa tÝn hiƯu ra theo tÇn sè vμ pha tÝn hiƯu vμo. TÝn hiƯu vμo cã
thĨ cã d¹ng tơng tự hình sine hoặc dạng số. ứng dụng đầu tiên của PLL vo năm 1932
trong việc tách sóng đồng bộ. Ngy nay, nhờ công nghệ tích hợp cao lm cho PLL có
kích thớc nhỏ, độ tin cậy cao, giá thnh rẻ, dễ sử dụng. Kỹ thuật PLL đợc ứng dụng
rộng rÃi trong các mạch lọc, tổng hợp tần số, ®iỊu chÕ vμ gi¶i ®iỊu chÕ, ®iỊu khiĨn tù
®éng v.v... Có hng chục kiểu vi mạch PLL khác nhau, một số đợc chế tạo phổ thông
đa dạng, một số đợc ứng dụng đặc biệt nh tách âm (Tone), giải mà Stereo, tổng hợp
tần số. Trớc đây đa phần PLL bao gồm cả mạch số lẫn tơng tự. Hiện nay PLL số trở
nên phổ biến.
6.2 Sơ đồ khối

vi(t), fi

Tách sóng
pha

vd(t)

Lọc thông
thấp

vdc(t)

khuếch đại
một chiều

vo(t), fo
VCO

vdk(t)

fN
Hình 6.1 Sơ đồ khối của vòng giữ pha PLL
+ Tách sóng pha: so sánh pha giữa tín hiệu vo v tín hiệu ra của VCO để tạo ra tÝn
hiÖu sai lÖch Vd(t)


72
+ Lọc thông thấp: lọc gợn của điện áp Vd(t) ®Ĩ trë thμnh ®iƯn ¸p biÕn ®ỉi chËm Vdc(t)
vμ ®−a vo mạch khuếch đại một chiều
+ Khuếch đại một chiều: khuếch đại điện áp một chiều Vdk(t) để đa vo điều khiển
tần số của mạch VCO
+ VCO (Voltage Controled Oscillator): bộ dao động m tần số ra đợc điều khiển bằng
điện áp đa vo.
6.3 Hoạt động của mạch
6.3.1 Nguyên lý hoạt động
Vòng khoá pha hoạt động theo nguyên tắc vòng điều khiển m đại lợng vo v ra
l tần số v chúng đợc so sánh với nhau về pha. Vòng ®iỊu khiĨn pha cã nhiƯm vơ
ph¸t hiƯn vμ ®iỊu chØnh những sai số nhỏ về tần số giữa tín hiệu vμo vμ ra. NghÜa lμ
PLL lμm cho tÇn sè f o của tín hiệu VCO bám theo tần số f i cđa tÝn hiƯu vμo.
Khi kh«ng cã tÝn hiƯu vi ở ngõ vo, điện áp ngõ ra bộ khuếch đại Vdc(t) =0, bộ dao
động VCO hoạt động ở tần số tự nhiên fN đợc ci đặt bởi điện trở, tụ ®iƯn ngoμi. Khi
cã tÝn hiƯu vμo vi , bé t¸ch sóng pha so sánh pha v tần số của tín hiƯu vμo víi tÝn hiƯu

ra cđa VCO. Ngâ ra bé tách sóng pha l điện áp sai lệch Vd(t), chỉ sù sai biƯt vỊ pha vμ
tÇn sè cđa hai tÝn hiệu. Điện áp sai lệch Vd(t) đợc lọc lấy thnh phần biến đổi chậm
Vdc(t) nhờ bộ lọc thông thấp LPF, khuếch đại để thnh tín hiệu Vdk(t) đa đến ngõ vo
VCO, để điều khiển tần số VCO bám theo tần số tín hiệu vo. Đến khi tần số f0 của
VCO b»ng tÇn sè fi cđa tÝn hiƯu vμo, ta nãi bộ VCO đà bắt kịp tín hiệu vo. Lúc bấy giờ
sự sai lệch giữa 2 tín hiệu ny chỉ còn l sự sai lệch về pha m thôi. Bộ tách sóng pha sẽ
tiếp tục so sánh pha giữa 2 tín hiệu để điều khiển cho VCO hoạt động sao cho sự sai
lệch pha giữa chúng giảm đến giá trị bé nhÊt.
BL = fmax – fmin
B C = f2 – f1

B C = f2 f1

fN
f1

fN
f2

a/ Dải bắt

fmin

f1

f2

b/ Dải khóa
Hình 6.2 Dải bắt v dải khóa của PLL

fmax


73
Dải bắt BC (Capture range): ký hiệu BC=f2- f1, l dải tần số m tín hiệu vo
thay đổi nhng PLL vẫn đạt đợc sự khoá pha, nghĩa l bộ VCO vẫn bắt kịp tần số tín
hiệu vo. Nói cách khác, l dải tần số m tín hiệu vo ban đầu phải lọt vo để PLL có
thể thiết lập chế độ đồng bộ (chế độ khóa).
BC phụ thuộc vo băng thông LPF. Để PLL đạt đợc sự khóa pha thì độ sai lệch
tần số (fi - fN) phải nằm trong băng thông LPF. Nếu nó nằm ngoi băng thông thì PLL
sẽ không đạt đợc khóa pha vì biên độ điện áp sau LPF giảm nhanh.
Điện áp sau LPF

(fi fN) trong băng
thông LPF đồng bộ đợc
(fi fN) ngoi băng
thông LPF, không đồng bộ đợc
f

Hình 6.3 Điện áp sau bộ lọc thông thấp
Giả sử mạch PLL đà đạt đợc chế độ khoá, VCO ®· ®ång bé víi tÝn hiƯu vμo. B©y
giê ta thay đổi tần số tín hiệu vo theo hớng lớn hơn tần số VCO thì VCO sẽ bám
theo. Tuy nhiên khi tăng đến một giá trị no đó thì VCO sẽ không bám theo đợc nữa
v quay về tần số tự nhiên ban đầu của nó. Ta lm tơng tự nh trên nhng thay đổi tần
số tín hiệu vo theo hớng nhỏ hơn tần số VCO. Đến một giá trị no đó của tần số tín
hiệu vo thì VCO sẽ không bám theo đợc nữa v cũng trở về tần số tự nhiên của nó.
Dải giá trị tần số từ thấp nhất đến cao nhất đó của tín hiệu vo đợc gọi l dải khoá. Từ
đó ta định nghĩa:
Dải khóa BL (Lock range): ký hiệu BL=fmax- fmin, l dải tần số m PLL đồng nhất
đợc tần số f0 với fi. Dải ny còn gọi l đồng chỉnh (Tracking range). Các tần số fmax,

fmin tần số cực đại v cực tiểu m PLL thực hiện đợc khóa pha (đồng bộ). Dải khóa
phụ thuộc hm truyền đạt (độ lợi) của bộ tách sóng pha, khuếch đại, VCO. Nó không
phụ thuộc vo đáp tuyến bé läc LPF v× khi PLL khãa pha th× fi- f0 = 0.
Khi PLL ch−a khãa pha: fi ≠ f0. Khi PLL khãa pha: fi = f0. ë chÕ ®é khóa pha, dao
động f0 của VCO bám đồng bộ theo fi trong dải tần khóa BL rộng hơn dải tần b¾t BC.


74
Ví dụ:
VCO của một vòng khoá pha PLL có tần số tự nhiên bằng 12MHz. Khi tần số tín
hiệu vo tăng lên từ giá trị 0Hz thì vòng PLL khoá tại giá trị 10MHz. Sau đó tiếp tục
tăng thì nó sẽ bị mất khoá pha tại 16MHz.
1. HÃy tìm dải bắt v dải khoá.
2. Ta lặp lại các bớc trên nhng bắt đầu với tần số tín hiệu vo có giá trị rất cao,
sau đó giảm dần. HÃy tính các tần số m PLL thực hiện khoá pha v mất kho¸
pha.
BL = fmax – fmin
B C = f2 – f1
fN
fmin

f1

8

10

f2

12

fmax MHz

14

16

Hình 6.4 Dải bắt v dải khoá của PLL
1. Dải bắt:
Dải khoá:

BC = f2 f1=2(12-10)=4MHz
BL = fmax fmin=2(16-12)=8MHz

2. Đáp ứng của vòng PLL có tính đối xứng, nghĩa l tần số tự nhiên tại trung tâm
của dải khoá v dải bắt. Do đó, khi giảm tần số tín hiệu vo đến 14MHz thì PLL sẽ bắt
đầu thực hiện khoá pha (VCO bám đuổi tín hiệu vo). Tiếp tục giảm tần số tín hiệu vo
thì đến giá trị 8MHz PLL bắt đầu mất khoá pha (VCO không bám còn bám đuổi tín
hiệu vo đợc nữa).
6.3.2 Tính chất của PLL tun tÝnh
Gi¶ sư tÝn hiƯu vμo bé PLL vμ tÝn hiệu ra của mạch VCO l các tín hiệu hình sine
cã d¹ng:
vi (t ) = Vi sin ω i t ,

vo (t ) = Vo sin(ω o t + ϕ o )

o l pha ban đầu của vo(t)
(t ) = (ω i − ω o )t − ϕ o : độ lệch pha giữa vi(t) v vo(t)
K , K d , K o : lần lợt l hệ số truyền đạt của bộ tách sóng pha, bộ lọc thông

thấp+khuếch đại một chiều v bộ VCO.


75

vi(t), i

Tách sóng
pha

vd(t)

Lọc thông
thấp

vdc(t)

khuếch đại
một chiều

vo(t), o
VCO

vdk(t)

N
Hình 6.1 Sơ đồ khối của vòng giữ pha PLL
Trong dải khoá, PLL l một mạch điều khiển tuyến tính. Theo các giả thiết ở trên,
ta có điện áp ra của bộ tách sóng pha nh− sau:
v d (t ) = Kvi (t )vo (t ) = KViVo sin ω i t sin(ω o t + ϕ o ) =

=

KViVo
{cos[(ω i − ω o )t − ϕ o ] − cos[(ω i + ω o )t + o ]
2

(6.1)

Khi tần số giới hạn của bộ lọc thông thấp thấp hơn rất nhiều so víi
1
(ω i + ω o ) th× cã thĨ bá qua thμnh phÇn tÇn sè tỉng trong biĨu thøc (6.1) v ta có điện
2

áp điều khiển đa đến bộ VCO:
v dk (t ) = Kvi vo = K d K

ViVo
G[ j (ω i − ω o )] cos[(ω i − ω o )t − ϕ o ] =
2

VV
= K d K i o G[ j (ω i − ω o )] cos ϕ (t )
2

(6.2)

Trong ®ã:
G[ j (ω i − o )] : Module của hm truyền đạt của bộ lọc

Xung quanh điểm lm việc tĩnh, tần số VCO tỉ lệ tuyến tính với điện áp điều khiển

vdk. Do ®ã, ta cã thÓ viÕt:
ω o − ω N = K o v dk

(6.3)

Trong đó: N : l tần số dao động tự nhiên của VCO (tơng ứng với vdk=0).
Trong dải bắt, khi i = hằng số thì hiệu pha giữa vi v vo cũng không thay đổi vμ
b»ng ϕ o v× ω i = ω o . Do ®ã, tõ (6.2) ta suy ra:


76
v dk = K d K

ViVo
cos o
2

(6.4)

Điện áp điều khiển vdk l điện áp một chiều, lm cho tần sè VCO thay ®ỉi mét
Δf = f o − f N = f i − f N

(6.5)

Δω = ω o − ω N = K o v dk

(6.6)

l−ỵng:
Hay

Thay (6.4) vμo (6.6) vμ gi¶ thiÕt ϕ o = 0 ta tÝnh đợc độ lệch tần tối đa:
L = K o K d K

ViVo
2

(6.7)

2Δω L = K o K d KViVo

Suy ra:

BL = fmax - fmin
B C = f2 - f1

B C = f2 - f1

fN

fN
f1

fmin

f2

f1

f2

fmax

Hình 6.2 Dải bắt v dải khãa cđa PLL
NghÜa lμ tÇn sè cđa VCO chØ cã thể bám theo tần số vo trong dải o L với
điều kiện trớc đó mạch đà hoạt động (đà ở trong dải khoá). Vì vậy 2 L hay
B L = f 2 − f 1 = 2Δf L đợc gọi l dải khoá của PLL. Nó đợc phân bố đối xứng với tần số

dao động tự do f N của VCO v nh đà nói, nó không phụ thuộc vo dải thông của bộ
lọc.
Dải bắt có thể tính đợc nh sau: Nếu tách mạch điều khiển ở đầu vo VCO thì
tần số ra l f o = f N . Điện áp điều khiển cực đại (khi đóng mạch) đa đến VCO đợc
tính theo biểu thức (6.2)
v dk = K d K

ViVo
G[ j (ω i − ω o )
2

(6.8)

Điện áp ny lm tần số VCO thay đổi mét l−ỵng:
Δω * = K o v dk = K o K d K

ViVo
G[ j (ω i − ω o )
2

(6.9)

77
Sao cho ở đầu ra bộ tách sóng pha có tÇn sè:
'
ω i − ω o = ω i − N *

(6.10)

Từ (6.10) ta có dải bắt cña PLL tuyÕn tÝnh:
2Δω C = 2Δω * ≈ K o K d KViVo G ( jΔω C )

v dk

(6.11)

Δω C

N

i

L

v dk

Dải Khoá
L

N

i

C

Dải bắt
Hình 6.5b. Cơ chế khoá v bắt của PLL
Cũng nh lý luận ở phần trên, theo hình 6.5b. tần số ra của PLL chỉ bám theo tần số
vo khi i o' < L với điều kiện PLL đà hoạt động trong dải bắt.
V khi i o' < C nếu trớc đó PLL cha nằm trong dải bắt.
Nhờ cơ chế khoá v bắt nên PLL có tính chọn lọc theo tần số.

6.3.2 Các thnh phần của PLL
6.3.2.1 Bộ tách sóng pha (Phase Detector):
còn gọi l bộ so sánh pha. Có ba loại tách sóng pha:


78
1. Loại tơng tự ở dạng mạch nhân có tín hiệu ra tỷ lệ với biên độ tín hiệu vo.
2. Lo¹i sè thùc hiƯn bëi m¹ch sè EX-OR, RS Flip Flop v.v... cã tÝn hiƯu ra biÕn
®ỉi chËm phơ thc ®é réng xung ngâ ra tøc lμ phô thuéc sai lệch về pha giữa hai tín
hiệu vo.
3. Loại tách sóng pha lấy mẫu.
1/ Bộ tách sóng pha tơng tự:
vi = Asin(it + i)

Vdc(t)

Vd(t)

X

LPF
vi = 2cos(0t + 0)

Hình 6.5 Nguyên lý hoạt động của bộ tách sóng pha tơng tự
Bộ đổi tần hay mạch nhân thực hiện nhân hai tín hiệu. Ngõ ra của nó có điện áp:
Vd (t ) = A sin[(ωi − ω0 )t + (θ i − θ 0 )] + A sin[(ωi + ω0 )t + (θ i + θ 0 )]

Qua bé läc th«ng thÊp LPF, chỉ còn thnh phần tần số thấp. Khi khóa pha (i=0)
có Vd = Asin (i-0). Điện áp ny tỷ lệ với biên độ điện áp vo A v độ sai pha e=I-

0. Nếu e nhỏ, hm truyền đạt của bộ tách sóng pha coi nh tuyến tính. Dải khóa giới
hạn trong |e|Vd

k = A (V/radian)

Asin(e)

A
-/2
/2

e (Radian)

-A

Hình 6.6 Hm truyền đạt của bộ tách sóng pha tơng tự
2/ Bộ tách sóng pha số:
Dùng mạch số EX-OR, R-S Flip Flop v.v... có đáp tuyến so sánh pha dạng:

79
Vd
B

A
-/2
/2

e (radian)

-A

Hình 6.7 Hm truyền đạt của bộ tách sóng pha số
Đáp tuyến tuyến tính trong khoảng |e|/2. Độ lợi t¸ch sãng pha:
kφ = A/(π/2) = 2A/π
T¸ch sãng pha sè EX-OR v đáp tuyến:
Vd
Vd

e

0

/2

2

e

Tách sóng pha số dùng R-S Flip Flop v đáp tuyến:
S

Vd

Vd

Q

Vce
R
e

0

2

e

Điện áp sai lệch biến đổi chậm Vd tại ngõ ra bộ tách sóng pha số tû lƯ víi ®é réng
xung ngâ ra tøc lμ tû lệ độ sai lệch về pha e (hay tần số tøc thêi) cđa hai tÝn hiƯu vμo.
6.3.2.2 Läc th«ng thÊp LPF
C
R

R1
C

Rf

80
LPF thờng l mạch lọc bậc 1, tuy nhiên cũng dùng bậc cao hơn để triệt thnh
phần AC theo yêu cầu. LPF có thể ở dạng mạch thụ động hay tÝch cùc.
Ngâ ra bé t¸ch sãng pha gåm nhiỊu thμnh phần f0, fi, fi-f0, fi+f0, v.v...
Sau LPF chỉ còn thnh phần tần số rất thấp (fi-f0) đến bộ khuếch đại để điều khiển
tần số VCO bám theo fi. Sau vi vòng điều khiển hồi tiếp PLL đợc đồng bộ (khóa pha)
fi=f0, tần số phách (fi-f0)=0. Vòng khóa pha hoạt động chính xác khi tần số vo fi, f0
thấp khoảng vi trăm KHz trở lại.
6.3.2.3 Khuếch đại một chiều
Khuếch đại tín hiệu biến đổi chậm (DC) sau bộ lọc thông thấp LPF. Độ lợi
khuếch đại kA.
Rf

Vd

R1

Rc

Vd

V0

RE

R1
kA = -Rf/R1

kA = -RC / (RE + re)

Rf

kA = 1 + Rf/R1

Hình 6.8 Khuếch đại một chiều

6.3.2.4 VCO (Voltage controlled oscillator)
L mạch dao động có tần số đợc kiểm soát bằng điện áp .
Yêu cầu chung của mạch VCO l quan hệ giữa điện áp điều khiển Vdk(t) v tần số
ra fo(t) phải tuyến tính. Ngoi ra mạch còn có độ ổn định tần số cao, dải biến đổi của
tần sô theo điện áp vo rộng, đơn giản, dễ điều chỉnh v thuận lợi cho việc tổ hợp thnh
vi mạch (không có điện cảm).


81
+Vcc
B

Rc

C

Rc

C

Vo, fo

R

R
Vdk

-Vcc
Hình 6.9 Mạch VCO tiêu biểu
Về nguyên tắc có thể dùng mọi mạch dao động l tần số dao động có thể biến
thiên đợc trong phạm vi 10% ữ 50% xung quanh tần số dao động tự do. Tuy nhiên
các bộ dao động tạo xung chữ nhật đợc sử dụng rộng rÃi vì loại ny có thể lm việc
trong phạm vi tần số khá rộng (từ 1MHz đến khoảng 100MHz). Trong phạm vi từ
1MHz đến 50MHz thờng dùng các mạch dao động đa hi.
Hình 6.9 biểu diễn một mạch VCO dao động đa hi tiểu biểu. Khi nối đầu đIều
khiển Vdk với Vcc thì đây l một mạch dao động đa hi thông thờng, khi tách ra v đặt
điện áp đIều khiển Vdk vo đầu đó thì tần số dÃy xung ra biến thiên theo điện áp Vdk.
fo [KHz]

Miền lm việc

1,1
1,0
0,9

-5

0

5

Vdk [v]

Hình 6.10 Đặc tuyến truyền đạt fo(Vdk) tiªu biĨu cđa VCO


82
Cụ thể nếu Vdk tăng thì thời gian phóng nạp của tụ giảm do đó tần số ra tăng v
ngợc lại. Ta có đặc tuyến truyền đạt fo(Vdk) đợc biểu diễn nh hình 6.10
Ví dụ:

f0 (KHz)

140

fN 100
60

-2

-1

0

1

2

V0

Đặc tuyến truyền đạt của 1 VCO có dạng nh hình vẽ. Khi điện áp vo VCO bằng
0, tần số dao động tự do l fN. Khi điện áp điều khiển thay đổi một lợng V0, tần số ra

thay đổi một lợng f0.
Độ lợi chuyển đổi V to f của VCO: k0= f0/V0 (Hz/V)
Tần số fN ở giữa vùng tuyến tính đáp tuyến. Ví dụ khi điện áp vo thay đổi từ 1V
đến 1V, tần số tăng từ 60KHz đến 140KHz. Độ lợi chuyển ®ỉi (hay ®é nh¹y k0):
k0 =

Δf 0 (60 − 140) KHz
=
= −40 KHz / V
ΔV0
[1 − (−1)]V

6.4 ¦ng dơng cđa vòng khoá pha PLL
6.4.1 Bộ tổng hợp tần số đơn
Nh đà đề cập trong các chơng trớc, trong các máy phát hoặc các máy thu đổi
tần cần có các mạch dao động có thể thay đổi tần số để phát hoặc thu các kênh khác
nhau. Trớc đây, ngời ta thực hiện thay đổi tần số mạch dao động LC bằng cách thay
đổi giá trị của L hoặc C. Lúc đó chúng đợc gọi l các mạch dao động có thể thay đổi
tần số VFO (Variable-frequency Oscillators). Tuy nhiên, mạch dao động thờng
không có độ ổn định cao trong một dải tần số rộng do giá trị của L v C thờng thay
đổi theo nhiệt độ, độ ẩm v các tác nhân khác. Đồng thời chúng thờng cồng kềnh v
giá thnh cao.


83
Việc sử dụng thạch anh trong mạch dao động có thể tăng độ ổn định tần số dao
động lên rất cao, độ di tần tơng đối có thể giảm đến vi phần triệu trong khoảng thời
gian di. Tuy nhiên, tần sè cđa chóng chØ cã thĨ thay ®ỉi rÊt nhá bằng cách thay đổi
các tụ nối tiếp hoặc song song. Nghĩa l nó không tạo ra đợc các tần số khác biệt
nhau.

Nhiều năm gần đây ngời ta kết hợp các mạch dao động thạch anh có tần số ổn
định với các chuyển mạch để tạo ra các tần số khác nhau cho các kênh. Tuy nhiên, giải
pháp ny cũng tốn nhiều linh kiện v giá thnh cao.
Gần đây, ngời ta thiết kế v đa vo sử dụng các bộ tổng hợp tần số dựa trên
nguyên lý vòng khoá pha PLL. Nó cng ngy cng phổ biến v đợc dùng trong hầu
hết các máy thu phát hiện đại do tính gọn nhẹ, không yêu cầu độ chính xác cơ khí cao,
ứng dụng các thnh quả của công nghệ sản xuất vi mạch để nâng cao tốc độ v tính
chính xác của các IC chế tạo nên PLL. Đồng thời khi kết hợp với thạch anh, nó có khả
năng tạo ra dải tần rộng, độ chính xác cao, giá thnh thấp
fref

Bộ tách sóng
pha

f0/N

LPF

VCO

f0 = Nfref

ữN

Bộ chia lập trình đợc

Hình 6.11 Bộ tổng hợp tần số đơn
Bộ tổng hợp tần số đơn đợc thiết kế bằng cách đa tín hiệu chuẩn từ dao ®éng th¹ch
anh vμo so pha mét m¹ch PLL cã bé chia lập trình đợc nh hình 5.11. Khi PLL thực
hiện khoá pha, thì ta có f ref =

f VCO
Suy ra f VCO = Nf ref = f o . VÝ dụ bộ đếm lập trình
N

74192.
Điều ny có nghĩa l khi ta thay đổi N từ bộ chia sẽ nhận đợc các tần số ra khác
nhau. Hệ số N có thể đợc chọn giá trị khác nhau bằng cách thay đổi ®iƯn ¸p mét vμi


84
chân của IC chia. Do đó bộ tổng hợp tần số ny có thể đợc điều khiển dễ dng nhờ
máy tính hoặc điều khiển từ xa. Đồng thời, giảm đợc giá thnh v độ phức tạp so với
các bộ tổng hợp tần số sử dụng L,C trớc đây.
Khuyết điểm duy nhất của mạch ny l nó chỉ tạo ra các tÇn sè b»ng béi sè cđa
tÇn sè chn f o = Nf ref . Chẳng hạn, khi fref=100KHz thì mạch sẽ tạo ra đợc các tần số
bằng bội số của 100KHz. Điều ny phù hợp với chơng trình phát quảng bá FM trong
đó khoảng cách giữa các kênh bằng 200KHz. Trong khi đó, nó không phù hợp với
chơng trình phát quảng bá AM trong đó khoảng cách kênh l 10KHz (thạch anh
không thể dao động dới tần số 100 KHz)
Bớc thay đổi tần số tối thiểu gọi l độ phân giải của bộ tổng hợp tần số.
Để khắc phục, ngời ta sử dụng một bộ chia cố định để chia nhỏ tần số chuẩn
trớc khi đa vo bộ tách sóng pha nh hình vẽ.
TA

ữQ

Dao động thạch
anh

fref

f0

ì

Bộ chia
cố định

LPF

VCO

ữN

Bộ chia lập trình

Hình 6.13 Bộ tổng hợp tần số có tần số ra thấp
Ví dụ: HÃy thiết kế bộ tổng hợp tần sè PLL sư dơng th¹ch anh 10MHz sao cho nã tạo
ra dải tần số phát quảng bá AM từ 540 KHz đến 1700KHz.
Bộ tổng hợp tần số đợc biểu diễn nh hình 5.13. Vì khoảng cách kênh trong
thông tin AM l 10KHz nên ta thiết kế fref=10KHz. Lúc đó khi N tăng hoặc giảm 1 đơn
vị thì tần số đầu ra sẽ chuyển đến kênh kế cận. Từ đó, ta tính đợc hệ số Q nh sau:
Q=

f OSC 10 MHz
=
= 1000
f ref
10 KHz

85
Tiếp đến, ta xác định dải thay đổi của N. Khi thay đổi N 1 đơn vị thì tần số ra thay đổi
tơng ứng 1 kênh. Từ đó, ta có thể xác định giá trị N để tạo ra tần số bất kỳ trong dải
tần AM. Chẳng hạn, tại tần số thấp nhất của băng tần: N =
tại tần số cao nhất của băng tần: N =

fo
540 KHz
=
= 54
f ref
10 KHz

f o 1700 KHz
=
= 170
f ref
10 KHz

6.4.2 Giải điều chế FM
Nếu PLL khóa theo tần số tín hiệu vo, điện áp ngõ vo VCO tỷ lệ với độ dịch tần
số VCO kể từ fN. Nếu tần số vo thay đổi, điện áp điều khiển VCO dịch tơng ứng
trong khoảng đồng chỉnh BL.
Nếu tín hiệu vo l điều tần, điện áp điều khiển VCO chính l điện áp giải điều
chế FM. PLL dùng để tách sóng FM dải hẹp hoặc dải rộng với độ tuyến tính cao. Giả
sử điện áp ra bộ tách sóng pha cực đại l Vd, điện áp ngõ vo VCO l kA.Vd, độ di tần
cực đại: max = k0kAVd, k0: l độ lợi VCO.
kA

vi(t)

Phase
Detector

LPF

vdc

Amp

V0(t)

k0
VCO

Hình 6.14
Dải khóa BL = 2max = 2.k0kAVd. Dải khóa hay còn gọi l dải đồng bộ phải lớn
hơn độ di tần của tín hiệu vo.
Giải điều chế FM dùng PLL thực hiện bằng cách ci đặt tần số dao động tự do fN
bằng tần số trung tâm tín hiệu FM ngõ vo có biên độ không đổi. Trong nhiều ứng
dụng cụ thể, trớc tách sóng pha PLL có mạch khuếch đại hạn biên ®é.


86
FM/IF input 1
CD
R1

R1

Deemphasis

CC

CB
+VCC

C1
16

15

Giải điều
chế FM

CC

C1
14

13

12

11

10

9

6

7

15k

8

NE 560
1

2

3

4

CO

5

VCO
output

Hình 6.15 PLL giải điều chÕ FM (IC NE 560)
CD =

VÝ dô: IFFM=10,7MHz cã C 0 =

8.10 3

= 9,38nF

3.10 1
= 28 PF
fN

Băng thông (PLL) chọn läc tÝn hiÖu sau LPF: 15KHz
C1 =

13,3.10 −6
= 887 PF
B

ChØnh giảm = 75s
Dải khóa v ngỡng độ nhạy:
Điện trở R1 điều chỉnh dải khóa v ngỡng độ nhạy NE560. Mức tín hiệu điện áp
nhỏ nhất ngõ vo VCO m PLL khóa pha gọi l ngỡng độ nhạy.
BL = 15% fN trong khi FM phát thanh có độ di tần 75KHz hay 1% fN (10,7MHz). Để
giảm giải khóa, tăng giá trÞ R1 =

12.10 3 12.10 3
=
= 875Ω
RF − 1 15 1

(RF biểu thị độ giảm dải khóa từ 15% còn 1% hay bằng 15)

6.4.3 Giải điều chế FSK
FSK- dạng đặc biệt tín hiệu FM, chỉ có hai tần số điều tần. Giải điều chế FSK liên
quan đến tách (giải mÃ) tín hiệu quay số điện thoại nút nhấn v trun tÝn hiƯu sè FSK.
Ngâ ra cđa PLL dïng cho giải điều chế FSK l hai mức điện áp.


87

FSK
input

Giải điều
chế FSK

Phase
Detector

>

LPF

VCO

Hình 6.16 Giải điều chế FSK dùng PLL

6.4.4 §ång bé tÇn sè ngang vμ däc trong TV
fsyn

Phase
Detector

LPF

VCO

f0 = fsyn

Hình 6.17 mạch đồng bộ tần số ngang v dọc

6.4.5 Giải điều chế AM
Tín hiệu AM có dạng VAM(t) = Vt[1+mcosst]cos0t. Trong đó tín hiệu âm tần
vs(t)= Vscosst có thể đợc giải điều chế bằng cách nhân với tín hiệu sãng mang
VLO(t) =Acos(ω0t + θ0)
VAM(t)

V(t)

×

V0(t)
LPF

VLO(t) = Acos(ω0t + θ0)

V(t) = VAM(t).VLO(t) = Vt [1+mcosωst]cosω0t.Acos(ω0t + θ0)


88
V( t ) =

Vt .A[1 + m cos ωs t ]
[cosθ 0 + cos(2ω0 t + θ 0 )]
2

Qua LPF còn thnh phân tần số thấp ở ngõ ra
V0 ( t ) =

Vt .A
[1 + m cos ωs t ] cosθ 0
2

V0(t) tû lƯ víi m(t) tøc lμ tû lƯ với tín hiệu giải điều chế AM. Đây l kiểu tách
sóng AM trực tiếp không cần đổi tần, có u điểm không dùng trung tần, không cần
chọn lọc tần số ảnh. Để biên độ tín hiệu ra lớn nhất thì góc pha 0 phải bằng 0, dao
động nội VLO(t) phải khóa pha với sóng mang, kiểu giải điều chế ny còn gọi l tách
sóng đồng bộ hay tách sóng nhất quán (coherent Detector), có chất lợng hơn tách
sóng không nhất quán khi tỷ số S/N nhỏ.
Phase
Detector

DC
Amp.

LPF

VCO

vAM(t)

ì

LPF

v0(t)

Hình 6.18 Giải điều chế AM
6.4.6 Sử dụng PLL trong FM Stereo
6.4.6.1 Sơ đồ khối máy phát FM Stereo
Thnh phần trong từng khối:
L+R: FM mono
(L-R)DSB: FM Stereo
(L-R)DSB đợc điều chế cân bằng triệt sóng mang (điều biên nén SAM) nhờ một
sóng mang phụ fsc=38KHz.
Sóng báo: để thông báo cho máy thu biết đợc chơng trình đang nhận l Mono
hay Stereo.
Nếu không có sóng báo thì chơng trình đang nhận l FM Mono


89
Nếu có sóng báo thì chơng trình đang nhận l FM Stereo. NÕu chÊt l−ỵng sãng
FM Stereo chÊt l−ỵng kÐm thì sóng báo sẽ khoá đờng giải mà FM Stereo v máy thu
lm việc nh khi thu chơng trình FM Mono.
Ngời ta thờng sử dụng phơng pháp PLL để tạo sự đồng bộ của fsc giữa máy
phát v máy thu để máy thu thực hiện đợc quá trình giải mà FM Stereo.
Ngoμi ra cßn cã tÝn hiƯu gäi lμ sãng thuê bao tần số f=67KHz
Hoạt động của mạch:
(L+R)
KĐL

+

(L+R)

BPF

(L-R)

(L-R)
KĐ
R

Đảo
pha

-R

+

BPF

Đccân
bằng

(L-R)DSB

+

fPS=19KHz
Dđộg
fSC

KĐ

Tầng
điện
khg

Dđộg
chính

Nhân
tần

AFC

Chia
2

KĐ
Cao
tần

Lọc
hi

Dđộg
Chuẩn

Hình 6.19 Sơ ®å khèi m¸y ph¸t FM Stereo
TÝn hiƯu tõ 2 micro L v R sẽ đợc 2 tầng khuếch đại micro nâng biên độ. Mạch

cộng thứ nhất cộng 2 tín hiệu L vμ R cho ra tÝn hiÖu L+R dμnh cho máy thu FM Mono.
Tín hiệu (L+R) sau đó đi qua mạch lọc băng thông để lọc lấy tín hiệu có dải tần số từ
30Hz đến 15KHz v đa vo mạch cộng tổng hợp. Trong khi đó bộ cộng thứ 2 sÏ céng
tÝn hiÖu L vμ tÝn hiÖu R sau khi đà đảo pha 1800 để tạo ra tín hiệu (L-R), sau ®ã qua


90
mạch lọc băng thông để lọc lấy tín hiệu trong dải tần từ 30Hz đến 15KHz. Tín hiệu ny
đợc đa qua mạch điều chế cân bằng với tần số sóng mang phụ fsc = 38KHz (bằng
dao động thạch anh) dùng cho máy thu FM stereo.
Đồng thời dao động sóng mang phụ fsc = 38KHz đợc chia đôi v hạn biên để tạo
thnh sóng báo có tần số fps = 19KHz để cho máy thu biết đợc chơng trình đang thu
l FM stereo hay mono.
Ba tÝn hiÖu (L+R), (L-R)DSB vμ fps=19KHz đợc bộ cộng thứ 3 tạo thnh tín
hiệu tổng hợp. Qua tầng khuếch đại v tầng điện kháng nhằm thay đổi điện dung tơng
đơng, sau đó nó đựoc vo tầng dao ®éng sãng mang chÝnh ®Ĩ biÕn ®ỉi thμnh tÝn hiệu
FM, qua bộ nhân tần, khuếch đại cao tần, lọc hi để loại bỏ các hi bậc cao. Cuối cùng
đợc ®−a ra anten ®Ĩ bøc x¹ ra anten trun trong không gian v đến máy thu.
Bộ AFC nhằm so sánh giữa tần số dao động chuẩn v tần số sóng mang chính để
luôn luôn ổn định tần số của sóng mang chính nhằm nâng cao chất lợng của đi phát.
6.4.6.2 Phỉ cđa tÝn hiƯu FM Stereo
100%

(L-R)DSB

(L+R)
50%

(L-R)LSB

(L-R)USB

10%

f
30Hz

19KHz
23KHz
15KHz

37,97KHz
38,03KHz

53KHz

67KHz

H×nh 6.20 Phỉ cđa tÝn hiệu FM Stereo
6.4.6.3 Sơ đồ khối máy thu FM Stereo
Mạch AFC có nhiệm vụ tạo ra tần số dao động fsc = 38KHz v kiểm soát cho dao
động chạy đúng tần số v pha của đi phát để đa vo mạch giải mà FM Steero. Tín


91
hiệu sóng báo fps=19KHz vừa để báo cho máy thu biết đợc đi đang phát l FM
Stereo hay mono v gửi đến máy thu để kiểm soát tần số dao động fsc=38KHz ở máy
thu chạy đúng với tần số v pha của đi phát.
Hoạt động của mạch:

KĐ
Cao tần

Trộn
tần

KĐ
TT1

KĐ
TT2

KĐ
TT3

Tách
sóng
FM

Dao
động

Lọc Bg
thông

(L+R)

Tiền
KĐ L

(L-R)
Lọc Bg
thông

(L-R)DSB

Giải mÃ
FM

Stereo

KĐCS
L

Tiền
KĐ R

KĐCS
R

2L
Ma
trận

2R
Lọc
dải hẹp

X2

fsc
38KHz

Lọc
67KHz

Hình 6.21 Sơ đồ khối máy thu FM Stereo
Tín hiệu FM stereo sẽ đợc bộ tách sóng FM Mono tách ra từ tín hiệu trung tần.
Đó l tín hiệu FM stereo tổng hợp gồm 4 thnh phần: (L+R), (L-R)DSB, 19KHz vμ
67KHz.
+ TÝn hiƯu FM stereo tỉng hỵp sau đó qua mạch lọc băng thông có tần số từ 30Hz
đến 15KHz để tạo lại tín hiệu (L+R) v ®−a vμo khèi ma trËn.


92
+ Tín hiệu tổng hợp qua mạch khuếch đại băng thông, thờng l mạch cộng
hởng để lấy thnh phần(L-R)DSB stereo v đa vo bộ giải mà FM stereo.
+ Tín hiệu sóng báo fps=19KHz cũng đợc tách ra nhờ bộ tách sóng 19KHz,
thờng l mạch lọc dải hẹp chỉ cho qua tín hiệu hình sine tần số 19KHz. Sau đó nó
đợc nhân đôi tần số để phục hồi lại sóng mang phụ fsc=38KHz dựa vo nguyên tắc
hoạt động của vòng khoá pha PLL.
+ Ngoμi ra tÝn hiƯu sãng b¸o cịng sÏ điều khiển đèn báo để cho máy thu biết đợc
chơng trình đang thu l FM stereo hay mono.
+ Bộ giải m· FM stereo nh©n hai tÝn hiƯu (L-R)DSB vμ sãng mang phụ
fsc=38KHZ để tạo ra tín hiệu (L-R) tại đầu ra. Sau đó, đa vo khối ma trận, kết hợp
với tín hiệu (L+R) để tạo ra tín hiệu L v R, qua 2 mạch khuếch đại âm tần v phát ra ở
2 loa riêng rẽ, tạo thnh tín hiệu FM stereo.
6.4.6.4 ứng dụng PLL trong việc giải mà FM Stereo
VC
C

Chia
2

Chia
2

Điều
khiển

VCO
76KHz

Tách
sóg
pha

Tách
sóng
19KHz

Sóng báo
fps=19KHz
KĐ
đệm

KĐ L

Giải mÃ
FM

stereo

(L-R)

Ma
trận

(L-R)DSB
(L+R)

KĐ R

Hình 6.22 Sơ đồ khối mạch giải mà FM Stereo sử dụng PLL
Khoá K để mở v khoá nguồn cung cấp cho mạch giải mà FM Stereo. Trong
trờng hợp thu chơng FM Mono hoặc chơng trình FM Stereo nhng chất lợng kém
không đạt yêu cầu thì khoá K sẽ khóa không cho nguồn VCC cung cấp điện áp cho
mạch giải mà FM Stereo, hạn chế nhiễu.