Varauspumppu-PLL. Taulukko 1: ulostulot sisääntulojen funktiona

Transkriptio

1 Varauspumppu-PLL Vaihevertailija vertaa kelloreunoja aikatasossa. Jos sisääntulo A:n taajuus on korkeampi tai vaihe edellä verrattuna sisääntulo B:hen, ulostulo A on ylhäällä ja ulostulo B alhaalla ja päin vastoin. Taulukko 1: ulostulot sisääntulojen funktiona Nämä ulostulot ohjaavat varauspumppua, joka koostuu käytännössä kahdesta virtalähteestä joita kytketään vuorollaan ulostuloon. Varauspumppu syöttää virtaa pulssin Q A ajan ja nielee pulssin Q B ajan. Kuva 1: varauspumppu Kun varauspumpun lähtöön lisätään kondensaattori, saadaan aikaiseksi vaihe-erointegraattori, joka tasaa varauspumpulta tulevat pulssit tasaiseksi ohjausjännitteeksi. Tällä jännitteellä voidaan sitten ohjata oskillaattoria, josta saadaan kellosignaali takaisinkytkentään (yleensä taajuusjakajan kautta). Merkittävin etu varauspumpulla toteutetulla PLL:llä on erittäin matala referenssivuoto lukossa.

2 Vaihe-taajuusvertailija PFD (phase frequency detector) toimii taajuusvertailijana tulotaajuuksien ollessa eri suuruiset ja vaihevertailijana mikäli taajuudet ovat yhtä suuret. Toimiakseen vaihelukittuna silmukkana, PFD:n lähtö kytketään suodattimeen (esim. varauspumppu kondensaattorilla suodatettuna), jolla sitten ohjataan jänniteohjattua oskillaattoria. Kuva 2: PFD:n sisäinen toiminta PFD:n voi toteuttaa esimerkiksi kahdella RS-kiikulla ja yhdellä and-portilla. Kun Q A on alhaalla, sisääntulo A:n nouseva reuna nostaa Q A :n ja vastaavasti sisääntulo B:n nouseva reuna nollaa Q A :n. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että sisääntulo A:n taajuuden ollessa korkeampi, on Q A :n ylhäällä suuremman osan jaksosta, jolloin ohjausjännite ja sen myötä VCO:n taajuus nousee. Myös A:n ja B:n vaihe-eron ollessa alle puoli jaksoa tapahtuu sama ilmiö. Näissä tapauksissa Q B pysyy nollassa ja kerkeää ainoastaan resetoimaan Q A :n. Mikäli alkutilat ovat näissä tapauksissa päinvastaiset, on Q A puolestaan nolla ja Q B ylhäällä taajuus/vaihe-eroon verrattavan ajan, jolloin varauspumppu nielee virtaa ja sitä kautta laskee ohjausjännitettä ja edelleen VCO:n taajuutta. Etuna PFD:llä toteutetulla PLL:lla on käytännössä ääretön sieppausetäisyys.

3 Vaihelukittu silmukka Vaihelukittu silmukka on piiri, jonka ulostulosignaalin taajuus on sisääntulosignaalin tarkka kopio tai monikerta (vaihe on tällöin vakio). Kaikki vaihelukitut silmukat rakentuvat kuvan 1 mukaisesti. Piirin peruslohkot ovat vaihevertailija, alipäästösuodatin, vaihtotaajuinen oskillaattori ja takaisinkytkentä. Takaisinkytkentä sisältää usein myös taajuusjakajan. Kuva : Vaihelukittu silmukka Analogisen vaihelukitun silmukan toimintaperiaate on seuraavanlainen. Vaihevertailija vertailee nimensä mukaisesti referenssitaajuuden ja vaihtotaajuisen oskillaattorin vaihetta. Vaihevertailija antaa ulostulosta vaihe-eroon verrannollisen jännitteen, josta suodatetaan vertailussa syntyneet häiriötaajuudet pois. Vertailijan jännite ohjaa vaihtuvataajuista oskillaattoria, jonka taajuus kytkeytyy takaisin vaihevertailijaan. Vertailutaajuuksien ollessa erilaisia taajuuksien vaihe-ero muuttuu jatkuvasti ja vertailijan ulostulojännite muistuttaa siniaaltoa. Jos referenssisignaalin ja takaisinkytkentäsignaalin lukitus on mahdollinen, vaimenee siniaalto vähitellen, kunnes vaihevertailija antaa ainoastaan tasajännitettä. Tällöin vaihtotaajuinen oskillaattori on lukkiutunut taajuudelle f_o = f_ref/n.

4 Lukitsemiskeinoja Vaihevertailijoiden toimintatapa voidaan jakaa kahteen tyyppiin, joiden toiminta eroaa niin lukinnassa kuin ohjausjännitteessä. Tyypin 1 vertailijan ohjausjännite on suoraan suhteessa vaihe-eroon. Vaihe-ero muuttuu taajuuden mukana, ja lukitussa tilanteessa ohjausjännite on muuttumaton. Tyypin 1 vertailija ei lukitse vertailtavien signaalien vaiheita nollakulmaan, vaan lähdön vaihe-ero voi vaihdella lukitussa tilanteessa alueella Vertailija voi olla digitaalinen tai analoginen. Esimerkki digitaalisesta tyypin 1 vaihevertailijasta on yksinkertainen XORportti, jonka toimintaperiaate on esitetty kuvassa 2. Kuva : tyypin 2 XOR- vaihevertailijan toiminta Tyypin 2 vertailijan antamaa ohjausjännitettä korjataan vaihe-eron ohjaamana, ja vaiheero pyritään pitämään 0. Ohjausjännitettä muutetaan vain kun on vaihe-eroa, joten vaihe-eron poistuessa ohjausjännite on muuttumaton. Koska ohjausjännite ei riipu suoraan vertailusignaalista, pysyy se lukitussa tilanteessa hyvin stabiilina: esimerkiksi digitaalinen vaihevertailija korjaa ohjausjännitettä korjauspulssilla, ja jos vaihe-eroa ei ole, ei ole myöskään korjauspulssia. Tästä johtuen oskillaattorin taajuus heiluu lukitussa tilanteessa vähemmän kuin tyypin 1 oskillaattoritaajuus. Tyypin 2 vertailijat ovat digitaalisia. Lukitsemisen varmistaminen Vaihelukitun silmukan toiminta riippuu kriittisesti lukituksen pysyvyydestä ja taajuusalueesta, jolla silmukka voi lukkiutua. Lukituksen pysyvyyttä kuvataan lukkoetäisyydellä, joka määrittää alueen, jossa lukkiutunut silmukka voi seurata referenssitaajuutta menettämättä lukkoa. Lukkoetäisyys määräytyy pääasiassa oskillaattorin taajuusalueesta. Taajuusaluetta, jolla signaali voi lukkiutua, kutsutaan sieppausetäisyydeksi. Sieppausetäisyys on usein pienempi kuin lukkoetäisyys ja riippuu esimerkiksi vaihevertailijasta.

5 Strategioita tietylle taajuudelle lukittumisen varmistamiseksi 1. Valitaan (tai suunnitellaan) VCO, jonka säätöalue on riittävän kapea. 2. Pyyhkäistään VCO:n ohjausjännitettä ja suljetaan silmukka, kun taajuus on oikea. 3. Silmukkasuodattimen kulmataajuus voidaan tehdä ohjelmoitavaksi, jolloin sieppausetäisyyttä kasvatetaan lukittumisen ajaksi. 4. Silmukkaan voidaan lisätä taajuusvertailija, jolloin PLL toimii kuten taajuuslukittu silmukka lukittumisprosessin alussa. Lähteet: Elektroniikka II, luento 9