Перейти к содержанию

Частотно-фазовый детектор

Фазовый детектор — глаза петли ФАПЧ: он сравнивает опорный сигнал с поделённым сигналом генератора и говорит, куда подстраиваться. Простой детектор видит только разность фаз, а частотно-фазовый — ещё и разность частот.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Частотно-фазовый детектор (ЧФД, PFD — phase frequency detector) — узел ФАПЧ, который сравнивает опорный сигнал на частоте сравнения с выходной частотой ГУН, поделённой на N, и вырабатывает сигнал ошибки для петли. Он построен на двух триггерах и реагирует на фронты. В отличие от простого фазового детектора — смесителя или исключающего ИЛИ, которые различают разность фаз только в пределах ±π, — ЧФД различает ±2π и больше, то есть «видит» и разность частот. Поэтому петля с ним быстрее входит в захват (TI SWRA029, с. 11).

Три режима

TI описывает работу ЧФД с накачкой заряда так (SWRA029, с. 11–12):

  • частотный — разность фаз больше ±2π: выход накачки — постоянный ток в одну сторону, фильтр интегрирует его, и напряжение ГУН непрерывно тянется к нужной частоте;
  • фазовый — разность меньше 2π: накачка включается на часть каждого периода, пропорциональную разности фаз;
  • захват — разность близка к нулю: остаются только узкие импульсы на частоте сравнения, следствие конечной скорости логики.

Эти импульсы — главный источник паразитных составляющих: если петлевой фильтр их не подавит, они промодулируют ГУН, и в спектре появятся составляющие на расстоянии частоты сравнения от несущей.

Три детектора 74HC4046A

Микросхема 74HC4046A содержит три фазовых компаратора, и на них хорошо видна разница (TI SCHS204J, с. 3–5):

КомпараторТипКрутизнаФаза в захватеБез сигнала ГУН уходит на
PC1исключающее ИЛИVCC/π90°центральную частоту
PC2частотно-фазовый на D-триггерахVCC/4π0°минимальную частоту
PC3RS-триггер по фронтамVCC/2π180°максимальную частоту

PC1 требует скважности входов 50 %, держит захват даже при сильно зашумлённом входе, но может захватиться на гармониках. PC2 работает по положительным фронтам, скважность ему не важна, в захвате его выход большую часть периода в третьем состоянии — пульсаций на управляющем входе ГУН почти нет, — а диапазон захвата равен диапазону удержания. При 5 В крутизна PC2 — около 0,4 В/рад (наш расчёт: 5/(4π)).

Где встречается

ЧФД с накачкой заряда стоит почти в каждой микросхеме синтезатора частоты и в ФАПЧ микроконтроллеров. Как он работает вместе с ГУН, делителями и фильтром, как выбрать полосу петли — в статье «ФАПЧ (PLL)».

Частые вопросы

Чем частотно-фазовый детектор лучше исключающего ИЛИ?

Исключающее ИЛИ различает разность фаз только в пределах ±π и не отличает разность частот от разности фаз, поэтому петля может долго входить в захват или захватиться на гармонике. Частотно-фазовый детектор работает в диапазоне ±2π и больше: при разности частот он постоянно тянет ГУН в нужную сторону, и петля быстрее входит в захват. Зато исключающее ИЛИ устойчивее к шуму на входе.

Откуда в ФАПЧ паразитные составляющие на частоте сравнения?

Из-за детектора. В захвате частотно-фазовый детектор всё равно выдаёт узкие импульсы на частоте сравнения — так проявляется конечная скорость логики. Если фильтр их не подавит, они промодулируют ГУН, и в спектре по обе стороны от несущей на расстоянии частоты сравнения появятся паразитные составляющие.

Какой фазовый компаратор 74HC4046A выбрать?

PC2, если важна точная частота и нулевая разность фаз: он работает по фронтам, не зависит от скважности и не захватывается на гармониках. PC1 — если входной сигнал сильно зашумлён: петля с ним удерживает захват лучше, но может захватиться на гармонике, а скважность входа должна быть 50 %.

Источники

  1. Texas Instruments. Barrett C. (ed.) Fractional/Integer-N PLL Basics (SWRA029, August 1999) — с. 11–12: большинство микросхем ФАПЧ используют частотно-фазовый детектор; смеситель или исключающее ИЛИ различают разность фаз только в пределах ±π, PFD — ±2π и больше, что сокращает переходные процессы; PFD сравнивает опору Fr с Fvco/N и включает накачку заряда; режимы: частотный (разность больше ±2π, постоянный ток накачки), фазовый (накачка включена на часть периода, пропорциональную разности фаз), захват; в захвате остаются узкие импульсы на частоте Fr из-за конечной скорости логики, их фильтруют, иначе они модулируют ГУН и дают паразитные составляющие
  2. Texas Instruments. CD54/74HC4046A, CD54/74HCT4046A High-Speed CMOS Logic Phase-Locked Loop with VCO (SCHS204J, revised December 2003) — с. 3–5: три фазовых компаратора; PC1 — исключающее ИЛИ, нужна скважность 50 %, VDEMOUT = (VCC/π)(φSIGIN − φCOMPIN), без сигнала ГУН на центральной частоте, может захватиться на гармониках; PC2 — частотно-фазовый детектор по положительным фронтам на двух D-триггерах, скважность не важна, VDEMOUT = (VCC/4π)(φSIGIN − φCOMPIN), в захвате разность фаз нулевая, выход в третьем состоянии большую часть периода, диапазон захвата равен диапазону удержания, без сигнала ГУН на минимальной частоте; PC3 — RS-триггер по фронтам, VDEMOUT = (VCC/2π)(φSIGIN − φCOMPIN), 180° на центральной частоте, без сигнала — максимальная частота

Нашли ошибку?

Смотрите также