Khi không có tín hiệu vào PLL, sự chênh lệch điện áp Ve(t) ở lối ra của bộ so sánh pha (phase comparator) bằng không. Điện áp Vd(t) ở lối ra của bộ lọc tần thấp cũng bằng không. Máy phát tần số điều khiển bằng điện áp VCO hoạt động ở tần số định f0 gọi là tần số dao động trung tâm. Khi có tín hiệu đưa vào hệ thống PLL, bộ so pha sẽ so pha và tần số của tín hiệu lối vào với pha và tần số của VCO và tạo ra một điện áp sai số Ve(t) tỉ lệ với sự lệch pha và chênh lệch tần số của tín hiệu lối vào và VCO, tức là phản ánh sự khác nhau về pha và tần số của 2 tín hiệu. Điện áp sai số này được lọc rồi đưa vào lối vào điều khiển của VCO. Điện thế điểu khiển Vd(t) thúc đẩy tần số của VCO thay đổi theo hướng giảm bớt sự khác nhau về tần số giữa tín hiệu f0 và tín hiệu lối vào. Khi tần số lối vào fs tiến dần đến tần số f0, do tính chất hồi tiếp của PLL sẽ thúc đẩy VCO đồng bộ hoặc bắt chập với tín hiệu lối vào. Sau khi chập, tần số VCO sẽ bằng tần số của tín hiệu lối vào, tuy nhiên vẫn có độ chênh lệch về pha nào đó. Sự chênh lệch về pha này là cần thiết vì nó tạo ra điện áp sai Ve(t) để chuyển tần số dao động tự do của VCO thành tần số của tín hiệu vào fs, như vậy sẽ giữ cho PLL ở trạng thái giữ chập tần số. Kết quả là tần số của dao động VCO có độ ổn định tần số ngang cấp với độ ổn định tần số của tín hiệu so sánh pha với tần số VCO. Như vậy nếu sử dụng f là dao động chuẩn thạch anh có độ ổn định tần số
Lối vào so sánh Lối vào tín hiệu
f s f0 Vd(t) Ve(t) V0(t) Vs(t)
Điện áp điều khiển VCO Lọc tần số thấp
VCO
cao thì kết quả mạch vòng bám pha sẽ cho độ ổn định tần số của VCO ngang cấp thạch anh. Không phải tín hiệu nào VCO cũng bắt chập được. Dải tần số trên đó hệ duy trì tình trạng chập với tín hiệu lối vào được gọi là dải giữ chập hay giải bám (lock range) của hệ thống PLL. Dải tần số trên đó hệ thống PLL có thể bắt chập một tín hiệu vào gọi là dải bắt chập (capture range). Dải bắt chập bao giờ cũng nhỏ hơn giải giữ chập.
2.1.2.1. Bắt chập và giữ chập
Khi mạch chưa ở trạng thái bắt chập, bộ so pha trộn tín hiệu vào với tín hiệu VCO để tạo ra thành phần tổng và hiệu hai tần số. Nếu thành phần hiệu nằm bên ngoài biên dải tần số của bộ lọc tần thấp thì nó sẽ bị loại bỏ cùng thành phần tổng tần số, do đó trong mạch sẽ không có thông tin nào được truyền qua mạch lọc và VCO tiếp tục hoạt động ở tần số trung tâm ban đầu. Khi tần số tín hiệu vào tiến dần đến tần số phát của VCO thì thành phần hiệu giảm xuống và tiến dần đến biên dải tần số của bộ lọc tần thấp. Lúc đó, một phần của thành phần tín hiệu đi qua được bộ lọc tần thấp và thúc đẩy VCO chuyển đến tần số của tín hiệu vào theo hướng sao cho thành phần hiệu tần số giảm và cho phép nhiều thông tin nữa đi qua bộ lọc tần thấp đến VCO. Đây là cơ chế hồi tiếp dương thúc đẩy VCO chập với tín hiệu vào.
2.1.2.2. Đặc trưng chuyển tần số sang điện áp
Hình 2.2 cho chúng ta thấy đặc trưng chuyển tần số sang điện áp điển hình của PLL. Cho tín hiệu vào PLL, tần số của nó được quét từ từ trên một dải rộng. Trục thẳng đứng là điện thế tương ứng Vd của mạch. Trên hình 2.2.a là trường hợp tần số tín hiệu tăng dần, mạch không phản ứng gì với tín hiệu cho đến khi tần số tín hiệu đạt tới tần số ω1 tương ứng với biên dưới của vùng bắt chập. Lúc đó hệ bắt chập với tín hiệu vào và tạo ra bước nhảy của điện thế Vd với dấu âm. Sau đó, VCO thay đổi tần số với hệ số góc bằng nghịch đảo của hệ số khuyếch đại lối vào VCO (1/K0) và đi qua giá trị V0 khi ω1=ω0 mạch bám sát tín hiệu vào cho đến khi tần số tín hiệu vào đạt đến ω2 tương ứng với biên trên của khoảng giữ chập. Khi đó hệ mất bám, điện thế Vd tụt xuống V0 và tạo ra tần số dao động tự do của VCO (hình 2.2.a).
Nếu ta lại cho tần số tín hiệu vào quét theo chiều hướng giảm dần thì quá trình lặp lại nhưng đảo ngược so với trước (hình 2.2.b) mạch bắt chập lại với tín hiệu ở ω3 tương ứng với biên trên của dải bắt chập và bám sát theo tín hiệu vào cho đến khi tần số của tín hiệu vào bằng ω4 tương ứng với biên độ của dải giữ chập. Như vậy là dải bắt chập của hệ là (ω1,ω3) và dải giữ chập là của hệ (ω2,ω4).
Do đặc trưng chuyển tần số - điện áp như trên nên PLL có tính chọn lọc với tần số trung tâm VCO, nó chỉ có phản ứng đối với những tần số tín hiệu vào sai lệch so với ω0 là ωC hoặc ωL (ωC=(ω3-ω1)/2 và ωL=(ω2-ω4)/2), tuỳ theo mạch bắt đầu có hay không có điều kiện giữ pha ban đầu.
Sự tuyến tính của đặc trưng chuyển đổi tần số sang điện áp của PLL chỉ do hệ số chuyển đổi của VCO quyết định, do đó ta thường đòi hỏi VCO có đặc tính chuyển điện áp sang tần số ở mức độ tuyến tính cao.