Tài liệu Vòng khóa pha PLL trong điện tử thông tin_Chương 6 pdf

1
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 v pha của tín hiệu ra theo tần số v pha tín hiệu vo. Tín
hiệu vo có thể có dạng 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, điều
chế v giải điều chế, điều khiển tự động 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 mã 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








Tách sóng
pha
Lọc thông
thấp
khuếch đại

một chiều
VCO
v
i
(t), f
i
V
d
(t)
v
dk
(t)
f
o
Hình 6.1 Sơ đồ khối của vòng giữ pha PLL
v
dc
(t)
v
o
(t), f
o



2
+ Tách sóng pha: so sánh pha giữa tín hiệu vo v tín hiệu ra của VCO để tạo ra
tín hiệu sai lệch V
d
(t)

+ Lọc thông thấp: lọc gợn của điện áp V
d
(t) để trở thnh điện áp biến đổi chậm v
đa vo mạch khuếch đại một chiều
+ Khuếch đại một chiều: khuếch đại điện áp một chiều V
dk
(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 điều khiển pha có nhiệm
vụ phát hiện v điều chỉnh những sai số nhỏ về tần số giữa tín hiệu vo v ra.
Nghĩa l PLL lm cho tần số của tín hiệu VCO bám theo tần số của tín hiệu
vo.
o
f
i
f
Khi không có tín hiệu v
i
ở ngõ vo, điện áp ngõ ra bộ khuếch đại V
dc
(t) =0, bộ
dao động VCO hoạt động ở tần số tự nhiên f
N
đợc ci đặt bởi điện trở, tụ điện

ngoi. Khi có tín hiệu vo v
i
, bộ tách sóng pha so sánh pha v tần số của tín hiệu
vo với tín hiệu ra của VCO. Ngõ ra bộ tách sóng pha l điện áp sai lệch V
d
(t) , chỉ
sự sai biệt về pha v tần số của hai tín hiệu. Điện áp sai lệch V
d
(t) đợc lọc lấy
thnh phần biến đổi chậm V
dc
(t) nhờ bộ lọc thông thấp LPF, khuếch đại để thnh
tín hiệu V
dk
(t) đa đến ngõ vo VCO, để điều khiển tần số VCO bám theo tần số
tín hiệu vo. Đến khi tần số f
0
của VCO bằng tần số f
i
của tín hiệu vo, ta nói bộ
VCO đã 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


3
để điều khiển cho VCO hoạt động sao cho sự sai lệch pha giữa chúng giảm đến giá
trị bé nhất.

B
L
= f
max
f
min
f
N
f
min
f
max
B
C
= f
2
f
1
f
1
f
2
f
N
B
C
= f
2
f

1
f
1
f
2
a/ Dải bắt b/ Dải khóa
Dải bắt B
C
(Capture range): ký hiệu B
C
=f
2
- f
1
,

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).
H ình 6.2 Dải bắt v dải khoa của PLL
B
C
phụ thuộc vo băng thông LPF. Để PLL đạt đợc sự khóa pha thì độ sai
lệch tần số (f
i
f
N
) 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.

(f
i
f
N
) trong băng
thông LPF đồng bộ đợc
(f
i
f
N
) ngoi băng
thông LPF, không đồng bộ đợc
Điện áp sau LPF
f
Hình 6.3 Điện áp sau bộ lọc thông thấp






Giả sử mạch PLL đã đạt đợc chế độ khoá, VCO đã đồng bộ với tín hiệu vo.
Bây giờ 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

4
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 B
L
(Lock range): ký hiệu B
L
=f
max
- f
min
,

l dải tần số m PLL đồng
nhất đợc tần số f
0
với f
i
. Dải ny còn gọi l đồng chỉnh (Tracking range). Các tần
số f
max
, f
min
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 bộ lọc LPF vì khi PLL khóa pha thì f
i
-
f

0
= 0.
Khi PLL cha khóa pha: f
i
f
0
. Khi PLL khóa pha: f
i
= f
0
. ở chế độ khóa
pha, dao động f
0
của VCO bám đồng bộ theo f
i
trong dải tần khóa B
L
rộng hơn dải
tần bắt B
C
.

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 khoá pha.

B
L
= f
max
f
min
f
N
f
min
f
max
B
C
= f
2
f
1
f
1
f
2
8
10
14
12
16
MHz
Hình 6.4 Dải bắt v dải khoá của PLL

1. Dải bắt:
B
B
C
= f
2
f
1
=2(12-10)=4MHz


5
Dải khoá:
B
B
L
= f
max
f
min
=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 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:
1. Loại tơng tự ở dạng mạch nhân có tín hiệu ra tỷ lệ với biên độ tín hiệu
vo.
2. Loại số thực hiện bởi mạch số EX-OR, RS Flip Flop v.v... có tín hiệu ra
biến đổi chậm phụ thuộc độ rộng xung ngõ ra tức l phụ thuộc sai lệch về pha
giữa hai tín hiệu vo.
3. Loại tách sóng pha lấy mẫu.
1/ Bộ tách sóng pha tơng tự:
X LPF
v
i
= Asin(

i
t +

i
)
V
d
(t)
V
dc
(t)
v
i

= 2cos(

0
t +

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:

)](t)sin[(A)](t)sin[(A)t(V
iiiid 0000

+++++=

Qua bộ lọc thông thấp LPF, chỉ còn thnh phần tần số thấp. Khi khóa pha
(

i
=

0
) có V
d
= 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
|
<

/2. Ta có độ lợi tách sóng pha k

tính đợc theo
công thức:

6
k
φ
= A (V/radian)







V
d
θ
e
(Radian)
A

-A
π/2
-
π/2
Asin(
θ
e
)
H×nh 6.6 Hμm truyÒn ®¹t cña bé t¸ch sãng pha t−¬ng
tù

2/ Bé t¸ch sãng pha sè:
Dïng m¹ch sè EX-OR, R-S Flip Flop v.v... cã ®¸p tuyÕn so s¸nh pha d¹ng:

V
d
θ
e
(radian)
A

-A
π/2
-π/2
H×nh 6.7 Hμm truyÒn ®¹t cña bé t¸ch sãng pha sè






§¸p tuyÕn tuyÕn tÝnh trong kho¶ng |θ
e
|≤π/2. §é lîi t¸ch sãng pha:
k
φ
= A/(

π
/2) = 2A/
π

T¸ch sãng pha sè EX-OR vμ ®¸p tuyÕn:

V
d
π/2
π
2

V
d

θ
π
0

B
e

7


e

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

V

d





Điện áp sai lệch biến đổi chậm V
d
tại ngõ ra bộ tách sóng pha số tỷ lệ với độ
rộng xung ngõ ra tức l tỷ lệ độ sai lệch về pha
e
(hay tần số tức thời) của hai tín
hiệu vo.
6.3.2.2 Lọc thông thấp LPF
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 tích cực.





Ngõ ra bộ tách sóng pha gồm nhiều thnh phần f
0
, f
i
, f
i
-f
0
, f

i
+f
0
, v.v...
Sau LPF chỉ còn thnh phần tần số rất thấp (f
i
-f
0
) đến bộ khuếch đại để điều
khiển tần số VCO bám theo f
i
. Sau vi vòng điều khiển hồi tiếp PLL đợc đồng bộ
(khóa pha) f
i
=f
0
, tần số phách (f
i
-f
0
)=0. Vòng khóa pha hoạt động chính xác khi
tần số vo f
i
, f
0
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 k
A

.

S
R
Q
V
d

e

V
ce


e
2
0
R
f
C

R
1
R

C
R
f
R
1

V
B
d
V
B
0
R
1
R
B
f
V
d
Re

Rc


8






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 V
dk
(t) v

tần số ra f
o
(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).
Về nguyên tắc có thể dùng mọi mạch dao động l tần số dao động có thể biến
thiên đợc trong phạm vi
%% 5010 ữ
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.


+V
cc
-V
cc
V
o
,



f
o
R
c
R
c

C

C

R

R

V
dk
Hình 6.9 Mạch VCO tiêu biểu