Vòng khoá pha PLL trong điện tử thông tin
6.3 Hoạt động của mạch 1 Nguyên lý hoạt động
6.3.1 Nguyên lý hoạt động
Vòng khoá pha hoạt động theo nguyên tắc vòng điều khiển mμ đại l−ợng vμo vμ ra lμ tần số vμ chúng đ−ợc so sánh với nhau về pha. Vòng điều khiển pha có nhiệm vụ phát hiện vμ điều chỉnh những sai số nhỏ về tần số giữa tín hiệu vμo vμ ra. Nghĩa lμ
PLL lμm cho tần số focủa tín hiệu VCO bám theo tần số của tín hiệu vfi μo.
Khi không có tín hiệu vi ở ngõ vμo, điện áp ngõ ra bộ khuếch đại Vdc(t) =0, bộ dao động VCO hoạt động ở tần số tự nhiên fN đ−ợc cμi đặt bởi điện trở, tụ điện ngoμi. Khi có tín hiệu vμo vi , bộ tách sóng pha so sánh pha vμ tần số của tín hiệu vμo với tín hiệu ra của VCO. Ngõ ra bộ tách sóng pha lμ điện áp sai lệch Vd(t), chỉ sự sai biệt về pha vμ
tần số của hai tín hiệu. Điện áp sai lệch Vd(t) đ−ợc lọc lấy thμnh phần biến đổi chậm Vdc(t) nhờ bộ lọc thông thấp LPF, khuếch đại để thμnh tín hiệu Vdk(t) đ−a đến ngõ vμo VCO, để điều khiển tần số VCO bám theo tần số tín hiệu vμo. Đến khi tần số f0 của VCO bằng tần số fi của tín hiệu vμo, ta nói bộ VCO đã bắt kịp tín hiệu vμo. Lúc bấy giờ sự sai lệch giữa 2 tín hiệu nμy chỉ còn lμ sự sai lệch về pha mμ 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 nhất.
a/ Dải bắt b/ Dải khóa BL= fmax – fmin fN fmin fmax BC= f2 – f1 f1 f2 fN BC = f2 – f1 f1 f2
Dải bắt BC (Capture range): ký hiệu BC=f2- f1, lμ dải tần số mμ tín hiệu vμo thay đổi nh−ng PLL vẫn đạt đ−ợc sự khoá pha, nghĩa lμ bộ VCO vẫn bắt kịp tần số tín hiệu vμo. Nói cách khác, lμ dải tần số mμ tín hiệu vμo ban đầu phải lọt vμo để PLL có thể thiết lập chế độ đồng bộ (chế độ khóa).
BC phụ thuộc vμo băng thông LPF. Để PLL đạt đ−ợc sự khóa pha thì độ sai lệch tần số (fi - fN) phải nằm trong băng thông LPF. Nếu nó nằm ngoμi băng thông thì PLL sẽ không đạt đ−ợc khóa pha vì biên độ điện áp sau LPF giảm nhanh.
(fi– fN) trong băng thông LPF đồng bộ đ−ợc
(fi– fN) ngoμi băng thông LPF, không đồng bộ đ−ợc Điện áp sau LPF
f
Hình 6.3 Điện áp sau bộ lọc thông thấp
Giả sử mạch PLL đã đạt đ−ợc chế độ khoá, VCO đã đồng bộ với tín hiệu vμo. Bây giờ ta thay đổi tần số tín hiệu vμo theo h−ớng lớn hơn tần số VCO thì VCO sẽ bám theo. Tuy nhiên khi tăng đến một giá trị nμo đó thì VCO sẽ không bám theo đ−ợc nữa vμ quay về tần số tự nhiên ban đầu của nó. Ta lμm t−ơng tự nh− trên nh−ng thay đổi tần số tín hiệu vμo theo h−ớng nhỏ hơn tần số VCO. Đến một giá trị nμo đó của tần số tín hiệu vμo thì VCO sẽ không bám theo đ−ợc nữa vμ cũng trở về tần số tự nhiên của nó. Dải giá trị tần số từ thấp nhất đến cao nhất đó của tín hiệu vμo đ−ợc gọi lμ dải khoá. Từ đó ta định nghĩa:
Dải khóa BL (Lock range): ký hiệu BL=fmax- fmin, lμ dải tần số mμ PLL đồng nhất đ−ợc tần số f0 với fi. Dải nμy còn gọi lμ đồng chỉnh (Tracking range). Các tần số fmax, fmin tần số cực đại vμ cực tiểu mμ PLL thực hiện đ−ợc khóa pha (đồng bộ). Dải khóa phụ thuộc hμm truyền đạt (độ lợi) của bộ tách sóng pha, khuếch đại, VCO. Nó không phụ thuộc vμo đáp tuyến bộ lọc LPF vì khi PLL khóa pha thì fi- f0 = 0.
Khi PLL ch−a khóa pha: fi ≠ f0. Khi PLL khóa pha: fi = f0. ở chế độ khóa pha, dao động f0 của VCO bám đồng bộ theo fi trong dải tần khóa BL rộng hơn dải tần bắt BC.
Ví dụ:
VCO của một vòng khoá pha PLL có tần số tự nhiên bằng 12MHz. Khi tần số tín hiệu vμo 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 vμ dải khoá.
2. Ta lặp lại các b−ớc trên nh−ng bắt đầu với tần số tín hiệu vμo có giá trị rất cao, sau đó giảm dần. Hãy tính các tần số mμ PLL thực hiện khoá pha vμ mất khoá pha. BL= fmax– fmin fN fmin fmax BC= f2– f1 f1 f2 8 10 12 14 16 MHz
Hình 6.4 Dải bắt vμ dải khoá của PLL 1. Dải bắt: BC = f2 – f1=2(12-10)=4MHz
Dải khoá: BL = fmax – fmin=2(16-12)=8MHz
2. Đáp ứng của vòng PLL có tính đối xứng, nghĩa lμ tần số tự nhiên tại trung tâm của dải khoá vμ dải bắt. Do đó, khi giảm tần số tín hiệu vμo đến 14MHz thì PLL sẽ bắt đầu thực hiện khoá pha (VCO bám đuổi tín hiệu vμo). Tiếp tục giảm tần số tín hiệu vμo thì đến giá trị 8MHz PLL bắt đầu mất khoá pha (VCO không bám còn bám đuổi tín hiệu vμo đ−ợc nữa).