Частотный синтез на основе ФАПЧ. Обзор методов синтеза

Главное достоинство этой схемы по сравнению с однотактной – значительно большая протяженность линейного участка статической характеристики. Недостатком описанной схемы, так же как и однотактной, является непосредственная зависимость E (φ) от величин входных напряжений.

Если входные напряжения V_оп и V_гун на столько малы, что вольтамперные характеристики диодов можно аппроксимировать рядом Маклорена, то у обоих детекторов зависимость выходного напряжения E от разности фаз φ может быть выражена как

E (φ) =cV_ОПV_ГУНcosφ

где с – постоянный множитель.

Эта зависимость, представляющая собой косинусоиду, показана на рисунке 1.3, диаграмма Б. Однако при этом соответственно получается и низкий уровень выходного напряжения. Объясняется это, во-первых, низким уровнем входных колебаний, а во-вторых, энергетической невыгодностью такого режима. Дело в том, что в таком режиме работы схемы лишь очень малая доля мощности исходных колебаний используется на формирование напряжения E (φ), большая же его часть рассеивается на диодах.

Выгоднее использовать режим больших входных напряжений при их приближённом равенстве. Тогда диоды работают в ключевом режиме, практически не потребляя энергии. В этом случае вольтамперные характеристики диодов могут быть аппроксимированы линейно-ломанной зависимостью, и вид характеристики детектирования в рабочей её области приближается к линейному:

E (φ) =U_max (𝛑/2φ),

где U_max – максимальный уровень напряжения на выходе.

Вид характеристики детектирования для такого случая представлен диаграммой 1 на рисунке 1.4. Здесь же, для сравнения, показана характеристика при малых уровнях входных сигналов (диаграмма 2). При этом следует отметить, что диаграммы 1 и 2 масштабированы таким образом, чтобы их крутизны в центре рабочей области были одинаковы. Это сделано для более ясного представления об их форме. В реальности же размах диаграммы 2 по вертикали во много раз меньше, чем диаграммы 1.

Рис. 1.4. Характеристики детектирования балансного ФД

Понятно, что в данной схеме необходим хороший баланс трансформатора Тр1 и идентичность диодов Д1 и Д2 между собой как по току, так и по величине паразитной шунтирующей ёмкости. Ёмкости C1 и C2 должны обеспечивать короткое замыкание на частоте входных колебаний.

1.3. Кольцевой фазовый детектор

Схема кольцевого фазового детектора [3] представлена на рисунке 1.5.

Рис.1.5. Схема кольцевого фазового детектора

Её называют также двойным балансным диодным ФД. Дело в том, что в рассмотренном выше простом балансном ФД схема сбалансирована только относительно одного из источников колебаний, например V_оп, как это показано на рисунке 1.3. Благодаря этому исключается нежелательная постоянная компонента на выходе схемы, сокращающая размах детекторной характеристики.

Кольцевая схема сбалансирована также и относительно второго источника колебаний, из-за чего на её выходе отсутствуют нечётные гармоники частоты сравнения, включая наиболее опасную – первую, в то время как в просто балансной схеме присутствуют все гармоники. Это важное отличие в пользу кольцевого детектора, так как позволяет улучшить фильтрацию названных помех или/и расширить полосу пропускания ФАПЧ. Конечно, всё это справедливо для идеализированной структуры, при полной идентичности диодов и совершенном балансе в трансформаторах Тр1 и Тр2, чего на практике достичь невозможно. Поэтому реально указанное достоинство детектора кольцевого относительно балансного несколько снижается.

Характеристики детектирования простого балансного и кольцевого фазовых детекторов идентичны приведенным на рисунке 1.4.

1.4. Импульсно-фазовый детектор типа «выборка-хранение»

Рассмотренные выше типы фазовых детекторов страдают тем недостатком, что на выходе каждого из них, наряду с полезным сигналом E (φ) фазового рассогласования, присутствуют нежелательные компоненты довольно высокого уровня с частотами, равными и кратными частоте сравнения. Для их снижения до допустимого уровня на выходе ФД используют фильтры нижних частот с высокими требованиями по подавлению в полосе задерживания. Это может привести к существенному ухудшению динамических характеристик синтезатора, снижению эффективности подавления собственных шумов элементов системы ФАПЧ. Отмеченный недостаток в значительной мере устраняется в схеме импульсно-фазового детектора (ИФД) типа «выборка-хранение» [4]. Принцип действия такого устройства можно рассмотреть на примере схемы, показанной на рисунке 1.6.

Рис.1.6. Схема ИФД (А) и его характеристика детектирования (Б)

Она была описана в литературе в середине прошлого столетия. За давностью лет установить точное её авторство не представляется возможным, можно лишь предполагать, что оно принадлежит Несвижскому Ю. Б..