Hệ thống tự động điều chỉnh tần số theo pha hay còn gọi là vòng bỏm pha PLL được sử dụng rộng rói trong việc sử lý tín hiệu tương tự và cỏc hệ thống số. Một số ứng dụng quan trọng của vòng bỏm pha là điều chế và giải điều chế FM, giải điều chế FSK (FSK demodulation), giải mó õm thanh, nhõn tần, đồng bộ hoỏ xung đồng bộ, tụ̉ hợp tần số, mỏy phỏt điều tần…
Vòng bỏm pha được mụ tả lần đầu tiờn vào những năm 1930 khi được ứng dụng trong việc đồng bộ quột dọc và quột ngang trong vụ tuyến truyền hỡnh. Cựng với sự phỏt triển của cỏc vi mạch tích hợp, vòng bỏm pha được sử dụng trong rất nhiều ứng dụng khỏc nhau. Vào khoảng năm 1965, người ta đó tạo ra những vi mạch tích hợp PLL đầu tiờn, chỉ sử dụng cỏc thiết bị tương tự. Những tiến bộ ngày nay trong sản xuất vi mạch tích hợp đó gia tăng việc sử dụng cỏc thiết bị PLL vỡ giỏ thành ngày càng rẻ và cú độ tin cậy cao. Hiện nay PLL đó cú thể được tích hợp toàn bộ trờn một đơn chip.
Mạch vòng bỏm pha PLL cơ bản được trỡnh bày trong sơ đồ chức năng hỡnh 2.1, bao gồm những phần chính là bộ so sỏnh pha, bộ lọc thụng thấp, mỏy phỏt tần số được điều khiển bằng điện ỏp VCO (Voltage Controlled Ossillator). Ba khối này hợp thành một hệ thống phản hồi về tần số khộp kín.
Hỡnh 2.1. Sơ đồ chức năng của mạch vũng bám pha.
Khi khụng cú tín hiệu vào PLL, sự chờnh lệch điện ỏp Ve(t) ở lối ra của bộ so sỏnh pha bằng khụng. Điện ỏp Vd(t) ở lối ra của bộ lọc tần thấp cũng bằng khụng. Bộ dao động điều khiển bằng điện ỏp VCO hoạt động ở tần số định f0 gọi là tần số dao động trung tõm. Khi cú 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 Lối vào so sỏnh
Lối vào tín hiệu
fs f0 Vd(t) Ve(t) V0(t) Vs(t)
Điện ỏp điều khiển VCO Lọc tần số thấp
VCO So sỏnh pha
điện ỏp sai số Ve(t) tỉ lệ với sự lệch pha và chờnh lệch tần số của tín hiệu lối vào và VCO, tức là phản ỏnh sự khỏc nhau về pha và tần số của 2 tín hiệu. Điện ỏp sai số này được lọc rồi đưa vào lối vào điều khiển của VCO. Điện thế điều khiển Vd(t) thỳc đẩy tần số của VCO thay đụ̉i theo hướng giảm bớt sự khỏc 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 thỳc 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 nhiờn vẫn cú độ chờnh lệch về pha nào đú. Sự chờnh lệch về pha này là cần thiết để tạo ra điện ỏp 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 thỏi giữ chập tần số. Kết quả là tần số của dao động VCO cú độ ụ̉n định tần số ngang cấp với độ ụ̉n định tần số của tín hiệu so sỏnh pha với tần số VCO. Như vậy nếu sử dụng fs là dao động chuẩn thạch anh cú độ ụ̉n định tần số cao thỡ kết quả mạch vòng bỏm pha sẽ cho độ ụ̉n định tần số của VCO ngang cấp thạch anh. Khụng phải tín hiệu nào VCO cũng bắt chập được. Dải tần số trờn đú hệ duy trỡ tỡnh trạng chập với tín hiệu lối vào được gọi là dải giữ chập hay dải bỏm (lock range) của hệ thống PLL. Dải tần số trờn đú hệ thống PLL cú thể bẳt chập một tín hiệu vào gọi là dải bắt chập (capture range). Dải bắt chập bao giờ cũng nhỏ hơn dải giữ chập.
Ta cú thể dựng một cỏch khỏc để miờu tả hoạt động của PLL là bộ so sỏnh pha thực chất là mạch nhõn và trộn tín hiệu vào với tín hiệu VCO. Sự trộn này tạo tần số tụ̉ng và tần số hiệu fs ± f0. Khi mạch ở trạng thỏi chập thỡ hiệu tần số fs – f0 = 0, do đú tạo ra thành phần một chiều. Bộ lọc tần số thấp loại bỏ thành phần tần số tụ̉ng fs + f0, nhưng tiếp nhận thành phần điện ỏp một chiều, tức là chỉ cho thành phần một chiều đi qua. Thành phần một chiều này điều khiển VCO hoạt động ở trạng thỏi giữ chập với tín hiệu vào. Một điểm đỏng chỳ ý là giải chập độc lập với dải tần số của bộ lọc tần số thấp vỡ khi mạch ở trạng thỏi giữ chập thành phần hiệu tần số bao giờ cũng là dòng một chiều.