Giáo trình điện tử thông tin - Chương 6

Truyền thông (Communication) là tất cả sự trao đổI, vận chuyển thông tin bằng hình thức này hoặc hính thức khác. Ví dụ: Bạn đang đọc tài liệu này, tờ báo đã đọc sáng nay, chuyến tàu chở bạn đi t

Chương 6

Vòng khoá pha PLL trong điện tử thông tin6.1 Tổng quan về Vòng khoá pha (Phase Locked Loop - PLL)

Vòng khoá pha PLL lμ hệ thống vòng kín hồi tiếp, trong đó tín hiệu hồi tiếp dùng

để khoá tần số vμ pha của tín hiệu ra theo tần số vμ pha tín hiệu vμo Tín hiệu vμo có thể có dạng tương tự hình sine hoặc dạng số ứng dụng đầu tiên của PLL vμo năm 1932 trong việc tách sóng đồng bộ Ngμy nay, nhờ công nghệ tích hợp cao lμm cho PLL có kích thước nhỏ, độ tin cậy cao, giá thμnh rẻ, dễ sử dụng Kỹ thuật PLL được ứng dụng rộng rãi trong các mạch lọc, tổng hợp tần số, điều chế vμ giải điều chế, điều khiển tự

động v.v Có hμng chục kiểu vi mạch PLL khác nhau, một số được chế tạo phổ thông

đa dạng, một số được ứng dụng đặc biệt như tách âm (Tone), giải mã Stereo, tổng hợp tần số Trước đây đa phần PLL bao gồm cả mạch số lẫn tương tự Hiện nay PLL số trở nên phổ biến

6.2 Sơ đồ khối

Tách sóng pha

Lọc thông thấp

khuếch đại một chiều

+ Lọc thông thấp: lọc gợn của điện áp Vd(t) để trở thμnh điện áp biến đổi chậm Vdc(t)

vμ đ−a vμo mạch khuếch đại một chiều

+ Khuếch đại một chiều: khuếch đại điện áp một chiều Vdk(t) để đ−a vμo điều khiển tần số của mạch VCO

+ VCO (Voltage Controled Oscillator): bộ dao động mμ tần số ra đ−ợc điều khiển bằng

điện áp đ−a vμo

6.3 Hoạt động của mạch

6.3.1 Nguyên lý hoạt động

Vòng khoá pha hoạt động theo nguyên tắc vòng điều khiển mμ đại l−ợng vμo vμ ra

lμ tần số vμ chúng đ−ợc so sánh với nhau về pha Vòng điều khiển pha có nhiệm vụ phát hiện vμ điều chỉnh những sai số nhỏ về tần số giữa tín hiệu vμo vμ ra Nghĩa lμ PLL lμm cho tần số focủa tín hiệu VCO bám theo tần số của tín hiệu vμo fi

Khi không có tín hiệu vi ở ngõ vμo, điện áp ngõ ra bộ khuếch đại Vdc(t) =0, bộ dao

động VCO hoạt động ở tần số tự nhiên fN đ−ợc cμi đặt bởi điện trở, tụ điện ngoμi Khi

có tín hiệu vμo vi , bộ tách sóng pha so sánh pha vμ tần số của tín hiệu vμo với tín hiệu

ra của VCO Ngõ ra bộ tách sóng pha lμ điện áp sai lệch Vd(t), chỉ sự sai biệt về pha vμ tần số của hai tín hiệu Điện áp sai lệch Vd(t) đ−ợc lọc lấy thμnh phần biến đổi chậm

Vdc(t) nhờ bộ lọc thông thấp LPF, khuếch đại để thμnh tín hiệu Vdk(t) đ−a đến ngõ vμo VCO, để điều khiển tần số VCO bám theo tần số tín hiệu vμo Đến khi tần số f0 của VCO bằng tần số fi của tín hiệu vμo, ta nói bộ VCO đã bắt kịp tín hiệu vμo Lúc bấy giờ

sự sai lệch giữa 2 tín hiệu nμy chỉ còn lμ sự sai lệch về pha mμ thôi Bộ tách sóng pha sẽ tiếp tục so sánh pha giữa 2 tín hiệu để điều khiển cho VCO hoạt động sao cho sự sai lệch pha giữa chúng giảm đến giá trị bé nhất

a/ Dải bắt b/ Dải khóa

Dải bắt B C (Capture range): ký hiệu BC=f2- f1, lμ dải tần số mμ tín hiệu vμo thay đổi nhưng PLL vẫn đạt được sự khoá pha, nghĩa lμ bộ VCO vẫn bắt kịp tần số tín hiệu vμo Nói cách khác, lμ dải tần số mμ tín hiệu vμo ban đầu phải lọt vμo để PLL có thể thiết lập chế độ đồng bộ (chế độ khóa)

BC phụ thuộc vμo băng thông LPF Để PLL đạt được sự khóa pha thì độ sai lệch tần số (fi - fN) phải nằm trong băng thông LPF Nếu nó nằm ngoμi băng thông thì PLL

sẽ không đạt được khóa pha vì biên độ điện áp sau LPF giảm nhanh

(f i – f N ) trong băng thông LPF đồng bộ được

(f i – f N ) ngoμi băng thông LPF, không đồng bộ được

Điện áp sau LPF

f

Hình 6.3 Điện áp sau bộ lọc thông thấp

Giả sử mạch PLL đã đạt được chế độ khoá, VCO đã đồng bộ với tín hiệu vμo Bây giờ ta thay đổi tần số tín hiệu vμo theo hướng lớn hơn tần số VCO thì VCO sẽ bám theo Tuy nhiên khi tăng đến một giá trị nμo đó thì VCO sẽ không bám theo được nữa

vμ quay về tần số tự nhiên ban đầu của nó Ta lμm tương tự như trên nhưng thay đổi tần

số tín hiệu vμo theo hướng nhỏ hơn tần số VCO Đến một giá trị nμo đó của tần số tín hiệu vμo thì VCO sẽ không bám theo được nữa vμ cũng trở về tần số tự nhiên của nó Dải giá trị tần số từ thấp nhất đến cao nhất đó của tín hiệu vμo được gọi lμ dải khoá Từ

đó ta định nghĩa:

Dải khóa B L (Lock range): ký hiệu BL=fmax- fmin, lμ dải tần số mμ PLL đồng nhất

được tần số f0 với fi Dải nμy còn gọi lμ đồng chỉnh (Tracking range) Các tần số fmax,

fmin tần số cực đại vμ cực tiểu mμ PLL thực hiện được khóa pha (đồng bộ) Dải khóa phụ thuộc hμm truyền đạt (độ lợi) của bộ tách sóng pha, khuếch đại, VCO Nó không phụ thuộc vμo đáp tuyến bộ lọc LPF vì khi PLL khóa pha thì fi- f0 = 0

Khi PLL chưa khóa pha: fi ≠ f0 Khi PLL khóa pha: fi = f0 ở chế độ khóa pha, dao

động f0 của VCO bám đồng bộ theo fi trong dải tần khóa BL rộng hơn dải tần bắt BC

Ví dụ:

VCO của một vòng khoá pha PLL có tần số tự nhiên bằng 12MHz Khi tần số tín hiệu vμo tăng lên từ giá trị 0Hz thì vòng PLL khoá tại giá trị 10MHz Sau đó tiếp tục tăng thì nó sẽ bị mất khoá pha tại 16MHz

1 Hãy tìm dải bắt vμ dải khoá

2 Ta lặp lại các bước trên nhưng bắt đầu với tần số tín hiệu vμo có giá trị rất cao, sau đó giảm dần Hãy tính các tần số mμ PLL thực hiện khoá pha vμ mất khoá pha

Dải khoá: BL = fmax – fmin=2(16-12)=8MHz

2 Đáp ứng của vòng PLL có tính đối xứng, nghĩa lμ tần số tự nhiên tại trung tâm của dải khoá vμ dải bắt Do đó, khi giảm tần số tín hiệu vμo đến 14MHz thì PLL sẽ bắt

đầu thực hiện khoá pha (VCO bám đuổi tín hiệu vμo) Tiếp tục giảm tần số tín hiệu vμo thì đến giá trị 8MHz PLL bắt đầu mất khoá pha (VCO không bám còn bám đuổi tín hiệu vμo được nữa)

6.3.2 Tính chất của PLL tuyến tính

Giả sử tín hiệu vμo bộ PLL vμ tín hiệu ra của mạch VCO lμ các tín hiệu hình sine

Tách sóng pha

Lọc thông thấp

khuếch đại một chiều

Trong dải khoá, PLL lμ một mạch điều khiển tuyến tính Theo các giả thiết ở trên,

ta có điện áp ra của bộ tách sóng pha như sau:

] ) cos[(

] ) {cos[(

2

) sin(

sin )

( ) ( )

(

o o i o

o i o

i

o o i

o i o

i d

t t

V KV

t t

V KV t v t Kv t v

ϕωωϕ

ωω

ϕωω

+ +

π + thì có thể bỏ qua thμnh phần tần số tổng trong biểu thức (6.1) vμ ta có điện

áp điều khiển đưa đến bộ VCO:

)(cos)]

([2

])cos[(

)]

([2)

(

t j

G V V K K

t j

G V V K K v Kv t v

o i o

i d

o o i o

i o

i d o i dk

ϕω

ω

ϕωωω

G ω ưω : Module của hμm truyền đạt của bộ lọc

Xung quanh điểm lμm việc tĩnh, tần số VCO tỉ lệ tuyến tính với điện áp điều khiển

v dk Do đó, ta có thể viết:

ωo ưωN =K o v dk (6.3) Trong đó: ω : lμ tần số dao động tự nhiên của VCO (tương ứng với v N dk =0)

Trong dải bắt, khi ω = hằng số thì hiệu pha giữa v i i vμ v o cũng không thay đổi vμ

bằng ϕ vì o ωi =ωo Do đó, từ (6.2) ta suy ra:

i o o

d dk

V V K K

2

o i d o L

V V K K K

điều kiện trước đó mạch đã hoạt động (đã ở trong dải khoá) Vì vậy 2 ΔωL hay

được gọi lμ dải khoá của PLL Nó được phân bố đối xứng với tần số dao động tự do của VCO vμ như đã nói, nó không phụ thuộc vμo dải thông của bộ lọc

i d o dk

Sao cho ở đầu ra bộ tách sóng pha có tần số:

ωi ưωo' =ωi ưωN ±Δω* (6.10)

Từ (6.10) ta có dải bắt của PLL tuyến tính:

2 2 * ( )

C o

i d o

với điều kiện PLL đã hoạt động trong dải bắt

Vμ khi ωi ưωo' <ΔωC

nếu trước đó PLL chưa nằm trong dải bắt

Nhờ cơ chế khoá vμ bắt nên PLL có tính chọn lọc theo tần số

6.3.2 Các thμnh phần của PLL

6.3.2.1 Bộ tách sóng pha (Phase Detector):

còn gọi lμ bộ so sánh pha Có ba loại tách sóng pha:

1 Loại tương tự ở dạng mạch nhân có tín hiệu ra tỷ lệ với biên độ tín hiệu vμo

2 Loại số thực hiện bởi mạch số EX-OR, RS Flip Flop v.v có tín hiệu ra biến

đổi chậm phụ thuộc độ rộng xung ngõ ra tức lμ phụ thuộc sai lệch về pha giữa hai tín hiệu vμo

3 Loại tách sóng pha lấy mẫu

1/ Bộ tách sóng pha tương tự:

v i = Asin(ωi t + θi ) V d (t) V dc (t)

v i = 2cos(ω0 t + θ0 )

Hình 6.5 Nguyên lý hoạt động của bộ tách sóng pha tương tự

Bộ đổi tần hay mạch nhân thực hiện nhân hai tín hiệu Ngõ ra của nó có điện áp:

V d(t)=Asin[(ωi ưω0)t+(θi ưθ0)]+Asin[(ωi +ω0)t+(θi+θ0)]

Qua bộ lọc thông thấp LPF, chỉ còn thμnh phần tần số thấp Khi khóa pha (ωi =ω0 )

có V d = Asin (θi -θ0 ) Điện áp nμy tỷ lệ với biên độ điện áp vμo A vμ độ sai pha θe =θI

hạn trong |θe|<π/2 Ta có độ lợi tách sóng pha kφ tính được theo công thức:

Asin(θe )

2/ Bộ tách sóng pha số:

Dùng mạch số EX-OR, R-S Flip Flop v.v có đáp tuyến so sánh pha dạng:

Hình 6.6 Hμm truyền đạt của bộ tách sóng pha tương tự

θe (radian)

A

-A

π/2 -π/2

Hình 6.7 Hμm truyền đạt của bộ tách sóng pha số

Đáp tuyến tuyến tính trong khoảng |θe|≤π/2 Độ lợi tách sóng pha:

LPF thường lμ mạch lọc bậc 1, tuy nhiên cũng dùng bậc cao hơn để triệt thμnh

phần AC theo yêu cầu LPF có thể ở dạng mạch thụ động hay tích cực

Ngõ ra bộ tách sóng pha gồm nhiều thμnh phần f0, fi, fi-f0, fi+f0, v.v

Sau LPF chỉ còn thμnh phần tần số rất thấp (fi-f0) đến bộ khuếch đại để điều khiển tần số VCO bám theo fi Sau vμi vòng điều khiển hồi tiếp PLL được đồng bộ (khóa pha)

fi=f0, tần số phách (fi-f0)=0 Vòng khóa pha hoạt động chính xác khi tần số vμo fi, f0thấp khoảng vμi trăm KHz trở lại

6.3.2.3 Khuếch đại một chiều

Khuếch đại tín hiệu biến đổi chậm (DC) sau bộ lọc thông thấp LPF Độ lợi khuếch đại kA

6.3.2.4 VCO (Voltage controlled oscillator)

Lμ mạch dao động có tần số được kiểm soát bằng điện áp

Yêu cầu chung của mạch VCO lμ quan hệ giữa điện áp điều khiển Vdk(t) vμ tần số

ra fo(t) phải tuyến tính Ngoμi ra mạch còn có độ ổn định tần số cao, dải biến đổi của tần sô theo điện áp vμo rộng, đơn giản, dễ điều chỉnh vμ thuận lợi cho việc tổ hợp thμnh

vi mạch (không có điện cảm)

Hình 6.9 Mạch VCO tiêu biểu

Về nguyên tắc có thể dùng mọi mạch dao động lμ tần số dao động có thể biến thiên được trong phạm vi ± 10%ữ ± 50% xung quanh tần số dao động tự do Tuy nhiên các bộ dao động tạo xung chữ nhật được sử dụng rộng rãi vì loại nμy có thể lμm việc trong phạm vi tần số khá rộng (từ 1MHz đến khoảng 100MHz) Trong phạm vi từ 1MHz đến 50MHz thường dùng các mạch dao động đa hμi

Hình 6.9 biểu diễn một mạch VCO dao động đa hμi tiểu biểu Khi nối đầu đIều khiển Vdk với Vcc thì đây lμ một mạch dao động đa hμi thông thường, khi tách ra vμ đặt

điện áp đIều khiển Vdk vμo đầu đó thì tần số dãy xung ra biến thiên theo điện áp Vdk

Miền lμm việc

fo [KHz]

Vdk [v]

1,1 1,0 0,9

Hình 6.10 Đặc tuyến truyền đạt fo(Vdk) tiêu biểu của VCO

Cụ thể nếu Vdk tăng thì thời gian phóng nạp của tụ giảm do đó tần số ra tăng vμ ngược lại Ta có đặc tuyến truyền đạt fo(Vdk) được biểu diễn như hình 6.10

Đặc tuyến truyền đạt của 1 VCO có dạng như hình vẽ Khi điện áp vμo VCO bằng

0, tần số dao động tự do lμ fN Khi điện áp điều khiển thay đổi một lượng ΔV0, tần số ra thay đổi một lượng Δf0

Độ lợi chuyển đổi V to f của VCO: k0= Δf0/ΔV0 (Hz/V)

Tần số fN ở giữa vùng tuyến tính đáp tuyến Ví dụ khi điện áp vμo thay đổi từ 1V

đến –1V, tần số tăng từ 60KHz đến 140KHz Độ lợi chuyển đổi (hay độ nhạy k0):

KHz V

V

KHz V

f

)]

1 ( 1 [

) 140 60 (

đổi giá trị của L hoặc C Lúc đó chúng được gọi lμ các mạch dao động có thể thay đổi tần số VFO (Variable-frequency Oscillators) Tuy nhiên, mạch dao động thường không có độ ổn định cao trong một dải tần số rộng do giá trị của L vμ C thường thay

đổi theo nhiệt độ, độ ẩm vμ các tác nhân khác Đồng thời chúng thường cồng kềnh vμ giá thμnh cao

Việc sử dụng thạch anh trong mạch dao động có thể tăng độ ổn định tần số dao

động lên rất cao, độ di tần tương đối có thể giảm đến vμi phần triệu trong khoảng thời gian dμi Tuy nhiên, tần số của chúng chỉ có thể thay đổi rất nhỏ bằng cách thay đổi các tụ nối tiếp hoặc song song Nghĩa lμ nó không tạo ra được các tần số khác biệt nhau

Nhiều năm gần đây người ta kết hợp các mạch dao động thạch anh có tần số ổn

định với các chuyển mạch để tạo ra các tần số khác nhau cho các kênh Tuy nhiên, giải pháp nμy cũng tốn nhiều linh kiện vμ giá thμnh cao

Gần đây, người ta thiết kế vμ đưa vμo sử dụng các bộ tổng hợp tần số dựa trên nguyên lý vòng khoá pha PLL Nó cμng ngμy cμng phổ biến vμ được dùng trong hầu hết các máy thu phát hiện đại do tính gọn nhẹ, không yêu cầu độ chính xác cơ khí cao, ứng dụng các thμnh quả của công nghệ sản xuất vi mạch để nâng cao tốc độ vμ tính chính xác của các IC chế tạo nên PLL Đồng thời khi kết hợp với thạch anh, nó có khả năng tạo ra dải tần rộng, độ chính xác cao, giá thμnh thấp

chân của IC chia Do đó bộ tổng hợp tần số nμy có thể được điều khiển dễ dμng nhờ máy tính hoặc điều khiển từ xa Đồng thời, giảm được giá thμnh vμ độ phức tạp so với các bộ tổng hợp tần số sử dụng L,C trước đây

Khuyết điểm duy nhất của mạch nμy lμ nó chỉ tạo ra các tần số bằng bội số của tần số chuẩn f o =Nf ref Chẳng hạn, khi fref=100KHz thì mạch sẽ tạo ra được các tần số bằng bội số của 100KHz Điều nμy phù hợp với chương trình phát quảng bá FM trong

đó khoảng cách giữa các kênh bằng 200KHz Trong khi đó, nó không phù hợp với chương trình phát quảng bá AM trong đó khoảng cách kênh lμ 10KHz (thạch anh không thể dao động dưới tần số 100 KHz)

Bước thay đổi tần số tối thiểu gọi lμ độ phân giải của bộ tổng hợp tần số

Để khắc phục, người ta sử dụng một bộ chia cố định để chia nhỏ tần số chuẩn trước khi đưa vμo bộ tách sóng pha như hình vẽ

f Q ref OSC

Tiếp đến, ta xác định dải thay đổi của N Khi thay đổi N 1 đơn vị thì tần số ra thay đổi tương ứng 1 kênh Từ đó, ta có thể xác định giá trị N để tạo ra tần số bất kỳ trong dải tần AM Chẳng hạn, tại tần số thấp nhất của băng tần: 54

f N ref o

tại tần số cao nhất của băng tần: 170

f N ref o

6.4.2 Giải điều chế FM

Nếu PLL khóa theo tần số tín hiệu vμo, điện áp ngõ vμo VCO tỷ lệ với độ dịch tần

số VCO kể từ fN Nếu tần số vμo thay đổi, điện áp điều khiển VCO dịch tương ứng trong khoảng đồng chỉnh BL

Nếu tín hiệu vμo lμ điều tần, điện áp điều khiển VCO chính lμ điện áp giải điều chế FM PLL dùng để tách sóng FM dải hẹp hoặc dải rộng với độ tuyến tính cao Giả

sử điện áp ra bộ tách sóng pha cực đại lμ Vd, điện áp ngõ vμo VCO lμ kA.Vd, độ di tần cực đại: Δωmax = k0kAVd, k0: lμ độ lợi VCO

Giải điều chế FM dùng PLL thực hiện bằng cách cμi đặt tần số dao động tự do fNbằng tần số trung tâm tín hiệu FM ngõ vμo có biên độ không đổi Trong nhiều ứng dụng cụ thể, trước tách sóng pha PLL có mạch khuếch đại hạn biên độ

C D 9,38

10

Dải khóa vμ ng−ỡng độ nhạy:

Điện trở R1 điều chỉnh dải khóa vμ ng−ỡng độ nhạy NE560 Mức tín hiệu điện áp nhỏ nhất ngõ vμo VCO mμ PLL khóa pha gọi lμ ng−ỡng độ nhạy

BL = ±15% fN trong khi FM phát thanh có độ di tần ±75KHz hay 1% fN (10,7MHz) Để

10.121

10

9 10 11 12 13 14

15

16

CO

VCO output

Giải điều chế FM 15k

CD

CC

Deemphasis

CC C1 C1

R1

R1

CB +VCC

NE 560

Hình 6.15 PLL giải điều chế FM (IC NE 560)

Tín hiệu AM có dạng VAM(t) = Vt s 0t Trong đó tín hiệu âm tần

vs(t)= V cosω t có thể đ−ợc giải điều chế bằng cách nhân với tín hiệu sóng mang s s

VLO(t) =Acos(ω t + θ ) 0 0

V0(t) V(t)

VAM(t)

VLO(t) = Acos(ω0t + θ0)

V(t) = VAM(t).VLO(t) = Vt [1+mcosω t]cosω t.Acos(ω t + θ ) s 0 0 0

t2cos(

[cos2

]tcosm1[A.V)t(

Qua LPF còn thμnh phân tần số thấp ở ngõ ra

0 s

t

0 [1 mcos t]cos

2

A.V)t(

V0(t) tỷ lệ với m(t) tức lμ tỷ lệ với tín hiệu giải điều chế AM Đây lμ kiểu tách sóng AM trực tiếp không cần đổi tần, có −u điểm không dùng trung tần, không cần chọn lọc tần số ảnh Để biên độ tín hiệu ra lớn nhất thì góc pha θ0 phải bằng 0, dao

động nội VLO(t) phải khóa pha với sóng mang, kiểu giải điều chế nμy còn gọi lμ tách sóng đồng bộ hay tách sóng nhất quán (coherent Detector), có chất l−ợng hơn tách sóng không nhất quán khi tỷ số S/N nhỏ

Phase

DC Amp

VCO

vAM(t)

Hình 6.18 Giải điều chế AM

6.4.6 Sử dụng PLL trong FM Stereo

6.4.6.1 Sơ đồ khối máy phát FM Stereo