Hệ thống tự động điều chỉnh tần số theo pha hay còn gọi là vòng bám pha PLL đƣợc sử dụng rộng rãi trong việc xử lý tín hiệu tƣơng tự và các hệ thống số. Một số ứng dụng quan trọng của vòng bám pha là điều chế và giải điều chế FM, giải điều chế FSK (FSK demodulation), giải mã âm thanh, nhân tần, đồng bộ hoá xung đồng bộ, tổ hợp tần số, máy phát điều tần…
Vòng bám pha đƣợc mô tả lần đầu tiên vào những năm 1930, khi đó nó đƣợc ứng dụng trong việc đồng bộ quét dọc và quét ngang trong vô tuyến truyền hình. Cùng với sự phát triển của các vi mạch tích hợp, nó đƣợc tìm thấy trong rất nhiều ứng dụng khác. Vào khoảng năm 1965, ngƣời ta đã tạo ra những IC PLL đầu tiên, chỉ sử dụng các thiết bị tƣơng tự. Những tiến bộ ngày nay trong sản xuất vi mạch tích hợp đã gia tăng việc sử dung các thiết bị PLL vì nó ngày càng rẻ và có độ tin cậy cao. Hiện nay, PLL đã có thể đƣợc tích hợp toàn bộ trên một đơn chip.
Mạch vòng bám pha PLL cơ bản đƣợc trình bày trong sơ đồ chức năng Hình 2.14, bao gồm những phần chính là bộ so sánh pha, bộ lọc thông thấp, máy phát tần số đƣợc điều khiển bằng điện áp VCO (Voltage Controlled Ossillator). Ba khối này hợp thành một hệ thống phản hồi về tần số khép kín.
{{Ơ{
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 đƣa 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 đƣợc lọc rồi đƣa vào lối vào điều khiển của VCO. Điện thế điểu khiển Vd(t) thúc đẩy tần số của VCO thay đổi theo hƣớng 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, nhƣ 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. Nhƣ vậy nếu sử dụng fs là dao động chuẩn thạch anh có độ ổn định tần số 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 đƣợc. Dải tần số trên đó hệ duy trì tình trạng chập với tín hiệu lối vào đƣợc gọi là dải giữ chập hay giải bám (lock range) của hệ thống PLL. Dải tần số trên đó hệ thống PLL có thể bẳt chập một tín hiệu vào gọi là dảibắt chập (capture range).Dải bắt chập bao giờ cũng nhỏ hơn giải giữ chập.
Chúng ta có thể dùng một cách khác để miêu tả hoạt động của PLL là bộ so sánh pha thực chất là mạch nhân, nó trộn tín hiệu vào với tín hiệu VCO. Sự trộn này tạo tần số tổng và tần số hiệu fs ± f0. Khi mạch ở trạng thái chập thì hiệu tần số fs – f0 = 0, do đó nó tạo ra thành phần một chiều. Bộ lọc tần số thấp loại bỏ thành phần tần số tổng fs + f0, nhƣng tiếp nhận thành phần điện áp một chiều, tức là chỉ cho thành phần một chiều đi qua.Thành phần một chiều này điều khiển VCO hoạt động ở trạng thái giữ chập với tín hiệu vào.Cần chú ý rằng giải chập độc lập với dải tần số của bộ lọc tần số thấp vì khi mạch ở trạng thái giữ chập thành phần hiệu tần số bao giờ cũng là dòng một chiều.