31. Последовательностные фазовые детекторы: исключающее или, на rs-триггерах, d-триггерах.

При реализации XOR используется схема мультиплексора выполненного на логических элементах (рис.7.13)

Рис. 7.13 Возможные варианты реализации фазового детектора типа EXOR

На рис.7.14 показаны временные диаграммы входных и выходного сигналов. Когда опорное напряжение и напряжение ГУНа находятся в противофазе выходное напряжение фазового детектора отрицательное, когда входные напряжения совпадают по фазе (оба положительные или оба отрицательные) выходное напряжение отрицательное.

Рис. 7.14 Входные и выходной сигналы мультиплексора.

Δt определяется как разность времен нарастания между входными сигналами. При этом разность фаз пропорциональна разности времен нарастания. (7.37)

На основании этого можно записать, то, (7.38)

где. На рис.7.16 представлена передаточная характеристика фазового детектора на мультиплексоре.

Рис.7.16 Зависимость выходного напряжения мультиплексора от разности фаз.

Когда А () иB () имеют разность фаз 90⁰ , выход , что соответствуетс 50% периодом оти при этом. Для разности фазполучим, что выходное напряжение фазового детектора будет изменяться в диапазонеи при этом пропорционально разности фаз входных сигналов.

Вследствие простоты и совместимости с другими цифровыми схемами, такие фазовые детекторы часто используются в ИС ФАПЧ.

Фазовый детектор на R-S триггере, его передаточная характеристика и временные диаграммы приведены на рис. 7.17.

Рис.7.17 Фазовый детектор на R-Sтриггере: а) схема триггера; б) передаточная характеристика; в) временные диаграммы.

Последовательностный детектор с расширенным диапазоном на D-триггерах (рис.7.18) имеет допустимую разность фаз и соответственно коэффициент передачи .

Рис. 7.18 Фазовый детектор с расширенным диапазоном: а) электрическая схема; б) передаточная характеристика; в) определение фазовой ошибки по временным диаграммам.

Рис. 7.20 Трехвходовой фазовой детектор.

32. Особенности гун, реализованных на мультивибраторе или кольцевом генераторе.

1.Фазовая стабильность: спектральная плотность фазового шума выхода ГУН (рис.7.25) аппроксимируется с хорошей вероятностью теоретическим импульсом Дирака одиночного синусного сигнала, т.е.

(7.42)

1Гц

Рис.7.25 Спектральная характеристика генератора.

1. Область управления: ГУН должен охватывать полную частотную полосу применения, включая частоту смещения в течение процесса синхронизации.

2. Линейность управления: для простоты проектирования ФАПЧ, коэффициент K_VCO ГУН должен быть постоянным.

3. Смещение частоты (МГц/В): центральная частота не должна зависеть от напряжения источника питания.

Рис.7.29 Реализация мультивибратора на полевых транзисторах: а)n-МОП; б) КМОП.

На рис.7.30 приведены временные диаграммы мультивибратора. Для случая, когда скважность выходного сигнала равна 2 частота генератора определяется как

(7.49)

Рис.7.30 Временные диаграммы мультивибратора на n-МОП транзисторах.

2. Реализация ГУНа на кольцевом генераторе.

Особенности кольцевых генераторов:

- Период импульсов определяется Т_VCO = 2n*t_INV где n – число инверторов, t_INV – задержка одного инвертора.

- Управление частотой осуществляется изменяющимся током инвертора.

- Высокий фазовый шум приводят к нарушениям переключений.

- При увеличении мощности потребления линейно уменьшается фазовый шум.

- Типичный фазовый шум:

- 94 dBc/Гц при 1 МГц смещения для частоты 2.2 ГГц.

- 83 dBc/Гц при 100 КГц смещения для частоты 900 МГц

Один из наиболее популярных методов реализации ГУНа на МОП с цифровым выходом это использование кольцевого генератора и дополнительно схемы преобразования напряжения в ток. Кольцевой генератор реализован на нечетном количестве инвертирующих каскадов с отрицательной обратной связью. Простейший тип кольцевого генератора использует простой цифровой инвертор (рис.7.31). Эта схема имеет отрицательную обратную связь, тем не менее, каждый инвертор имеет фазовый сдвиг приблизительно 90⁰ и частота единичного усиления соответствует фазовому сдвигу 180⁰. Как результат, схема нестабильна и происходит генерация. Каждые полпериода сигнал будет передаваться по кругу с инверсией. Например, рассмотрим выход первого инвертора меняющегося на 1. Это изменение будет передаваться через все пять инверторов за время T/2, за которое выход первого инвертора будет изменен на 0; затем за время T/2 выход первого инвертора будет изменен обратно на 1, и так далее. Полагая, что каждый инвертор имеет задержку τ_INV и что их n инверторов, мы получим

Таким образом (7.50)

Рис.7.31 Кольцевой генератор на 5 инверторах.

Задержка инвертора определяется протекающим током.

Простой инвертор имеет напряжение затвора пропорциональное напряжению питания. Таким образом, при увеличении напряжения питания отклонение напряжения затвора увеличивается пропорционально, ток в инверторах увеличивается пропорционально квадрату напряжения питания и в результате частота генерации увеличивается пропорционально напряжению питания. Таким образом, любая помеха (шум) по напряжению питания будет причиной дрожания частоты генерации.

Рис.7.34. Реализация кольцевого генератора использующего дифференциальный инвертор с улучшенным подавлением по отклонению питания.

В связи с этим в большинстве интегральных кольцевых генераторах используют дифференциальный инвертор.