اساس حلقه قفل فاز در الکترونیک

اساس حلقه قفل فاز در الکترونیک:
حلقه قفل فاز یا PLL، اساسا دارای فرم حلقه سرو (Servo Loop) است. در واقع می توان گفت که حلقه قفل فاز عملیات خود را روی سیگنال فرکانس رادیویی انجام می دهد، اما تمام معیارهای اساسی در مورد پایداری حلقه و سایر پارامترها، کاملا با سایر انواع حلقه فیدبک یکسان هستند.

به همین دلیل، تمام تئوری هایی که به حلقه سرو (Servo Loop) اعمال می شوند را می توان به حلقه قفل فاز نیز اعمال کرد. در تصویر زیر، یک دیاگرام ساده از حلقه قفل فاز را می توان مشاهده کرد.

بر اساس بلوک دیاگرام فوق، حلقه قفل فاز از سه المان اساسی تشکیل شده است.

آشکارساز فاز (Phase Detector):
همان طور که از نام این مدار مشخص است، وظیفه اصلی آن در حلقه قفل فاز، مقایسه فاز دو سیگنال است تا بر اساس اختلاف فاز بین آن ها، یک ولتاژ اختلافی در مدار ایجاد شود.

این مدار انواع مختلفی دارد. برخی آشکارسازهای فاز از ادوات منطقی مانند گیت XOR و یا فلیپ فلاپ JK بهره می برند، در حالی که در برخی دیگر از آن ها، یک مدار حلقه دیودی برای تشخیص اختلاف فاز مورد استفاده قرار می گیرد.

اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ (Voltage Controlled Oscillator) یا VCO:
اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ مداری است که وظیفه ایجاد سیگنال فرکانس رادیویی (Radio Frequency Signal) را بر عهده دارد.

این سیگنال معمولا به صورت خروجی حلقه در نظر گرفته می شود. فرکانس مدار VCO می تواند در طول باند فرکانسی عملیاتی مورد نیاز حلقه کنترل شود.

فیلتر حلقه (Loop Filter):
این مدار به منظور فیلتر کردن خروجی مقایسه گر یا آشکارساز فاز در حلقه قفل فاز مورد استفاده قرار می گیرد.

این فیلتر هر مولفه ای از سیگنال های مقایسه شده در آشکارساز فاز را از خط VCO یا به عبارت دیگر ورودی VCO و سیگنال مرجع حذف می کند. این مدار همچنین بسیاری از مشخصه های حلقه مانند پایداری حلقه، سرعت قفل و … را تعیین می کند.

در عملکرد کلی حلقه قفل فاز، طراحی فیلتر حلقه از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است. مدار واقعی فیلتر حلقه در حلقه قفل فاز، ساختار بسیار ساده ای دارد، اما تأثیر آن روی عملکرد حلقه قفل فاز بسیار گسترده است.

در طراحی مدار فیلتر حلقه، انتخاب مقادیر معمولا به نحوی انجام می گیرد که یک تعادل بسیار دقیق بین تعدادی الزامات متناقض (Conflicting Requirements) به دست آید.

تأثیرات فیلتر حلقه روی عملکرد حلقه قفل فاز:
مشخصه های فیلتر حلقه روی برخی از کارکردهای حلقه قفل فاز تأثیر می گذارد. مهم ترین این مشخصه ها عبارتند از:

فرکانس مقایسه فیلتر (Filter Comparison Frequency):
یکی از مهم ترین کارکردهای فیلتر حلقه، حذف مولفه های ناخواسته از فرکانس های آشکارساز فاز یا مقایسه کننده فاز است.

اگر این فرکانس ها در ورودی مدار اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ یا VCO ظاهر شوند، آن گاه در باندهای جانبی (Side Bands)، آفست هایی از سیگنال حامل با فرکانسی برابر با فرکانس آشکارساز فاز ظاهر می شود.

پایداری حلقه:
نقاط قطع و Roll Off (به نقطه ای می گوییم که شیب پاسخ فرکانسی فیلتر غیرصفر و منفی می شود.) در فیلتر حلقه از اهمیت بالایی برخوردار هستند. فیلتر باید به صورتی طراحی شود که در نقاط بهره واحد از حلقه کلی، به بهره حلقه نزول یابد، در غیر این صورت، حلقه ناپایدار خواهد شد.

پاسخ گذرا (Transient Response):
در برخی کاربردها ممکن است ضروری باشد که حلقه قفل فاز سیگنال دیگری را تعقیب کند یا فرکانس خود را تغییر دهد. فیلتر حلقه، به گونه ای عمل می کند که سرعت پاسخ کاهش یابد.

هر چقدر پهنای باند فیلتر باریک تر باشد، فرکانس قطع فیلتر پایین تر خواهد بود و در نتیجه، سرعت پاسخ حلقه برای پاسخ دادن به تغییرات پایین تر خواهد بود و برعکس، اگر حلقه به یک پاسخ سریع به تغییرات در فرکانس نیاز داشته باشد، آن گاه به پهنای باند حلقه وسیع تر نیاز است.