Nekorektní blog Petra Kubáče na Blog.cz

Minule jsme u nejjednodušších fázových komparátorů postavených z obyčejných NAND, NOR, XOR hradel narazili na to, že PLL obvody postavené ma těchto hradlech mohou mít problémy dosáhnout stabilních pracovních podmínek tzv. "se zavěsit" A to kvůli toho, že nejjednodušší fázové komparátory mají oblasti kdy na rozdíl fáze reagují růstem a oblasti kdy reagují poklesem výstupního napětí - trošku jako trojúhelníkový signál, nebo funkce sinus.

Staří radioamatéři vždy uváděli že jednoduchá hradla se dají použít pokud se spontánní frekvence napětím řízeného oscilátoru a referenční frekvence neliší více než v poměru 1: 2 - HAHAHAHAHA kdo jste někdy zkoušeli takové hradlo použít jako fázový komparátor víte že nejlepší je když oscilátor kmitá tak 10% od "ideální frekvence" a fázový komparátor jej jen tak "lehce postrčí". navíc abyste se trefili do bezpečného pásma je vhodné, když se oscilátory "na sebe zavěsí" při fázovém rozdílu 90 stupňů kdy u XOR hradla je napětí na výstupu 2.5V a jsme nejdále od obou nebezpečných oblastí "opačné zpětné vazby". A aby to nebylo všechno - pokud se frekvence napětím řízeného a referenčního oscilátoru liší moc - z XOR hradla tak jako tak leze "bordel" pulsů různé délky jejichž průměr je 2.5 V a s tím nenaděláte prostě nic.

Takže jako správný vídlák jsme zabrousil do oblasti fázových komparátorů s klopným obvodem - na obrázku máte učebnicovou ukázku jak takový obvod vypadá, včetně grafu fázové odezvy. Graf fázové doezvy jak vidíte dává pro celých 360 stupňů - alias od - Pi do + Pi - jednoznačnou a monotónně rostoucí odezvu. Takže zavěšení smyčky PLL je o něco jednodušší. Pokud ovšem jsou frekvence referenčího oscilátoru a napětím řízeného oscilátoru (VCO) zase příliš odlišné - fázový komparátor se chová stejně jako XOR hradlo - leze z něj "zmatek" pulsů různé délky, které se vyfiltrují na napětí kolem 2,5 V a poraď si jak umíš.

Tak jsem si říkal alespoň že se "učebnicové" zapojení dá zjednodušit na jedno hradlo D - a zkusil jsem to a odezva na fázový rozdíl byla podle zelené křivky. Krátkou úvahou - je to jasné - pokud do vstupu RESET klopného obvodu D pouštíme signál z oscilátoru, který je 50% času v LOW - tak tento signál drží celý flip-flop 50% času v resetu ať se na ostatních vstupech děje cokoliv. Proto je nutné i vstup RESET spínat hranou - což jsem "vidlácky a primitivně" řešil derivačním obvodem na vstupu. Čistě abyse nebyli zmatení - zde obrázek s kouskem schémátka, který prosím berte jako příklad JAK SE TO NEMÁ DĚLAT.

Výsledek je ten - jestli použijeme Dva klopné obvody D a jedno XOR hradlo pro "obyčejný" fázový komparátor - proč nepoužít dva klopné obvody D a NAND hradlo pro "Frequency and phase comparator" který jak literatura píše je "extremely popular" ( a mně se z počátku zdál "extrémně složitý" )

Zde je učebnicové zapojení. Celá ta věc funguje tak, že pokud přijde první puls na Vi - celý systém se překlopí tak, že se otevře horní tranzistor, který nabíjí "paměťový" kondenzátor - zde skrytý pod označením komplexní impedance "Z" pokud pak přijde druhý puls na Vo - celý systém se uvede do stavu "vše vypnuto". Pokud jako první přijde puls na Vo - otevře se dolní tranzistor a "paměťový kondenzátor" se vybíjí do země. - pak příchod opožděného pulsu na Vi zase vše uvede do stavu "vše vypnuto" alias do stavu "vysoké impedance" pokud je frekvence Vi několikanásobně vyšší - příchod více pulsů na již překlopený obvod - nic nezmění dokud jej zase "neresetuje" puls na Vo atd...

Zdánlivě tedy není rozdíl mezi tímto a předchozím fázovým komparátorem - rozdíl ovšem je a to podstatný. Jednoduché fázové komparátory mají jenom jeden výstup a pokud se frekvence liší příliš tak ven leze "bordel" pulsů, který projde filtrem jako napětí 2,5V ať je referenční frekvence vyšší nebo nížší.

U nábojové pumpy je to takto - pokud jsou frekvence příliš rozdílné - taky leze ven "bordel pulsů" - podstatný rozdíl je v tom, že leze jen z jednoho výstupu a to z toho do kterého směřuje vyšší frekvence - z druhého výstupu lezou jenom kratičké "resetovací pulsy" odpovídající nižší z obou frekvencí. Když pak následuje nábojová pumpa tak pokud je frekvence Vi vyšší než Vo - napětí na nábojové pumpě se ustálí na 2,5 + 1,25 = 3,75 V pokud je Vi Nižší než Vo na nábojové pumpě se ustálí napětí 2,5 -1,25 = 1,25 V - proto tento fázový komparátor rozlišuje i velké rozdíly frekvencí - a nakonec dotlačí VCO tam kde jej chceme mít - proto je taky "extremely popular"

Za domácí úkol - poprosíte maminku (manželku) o zvýšení kapesného o 16 korun, za které si koupíte 74HC4046 (viz obrázek) - což je kompletní PLL smyčka se všemi třemi druhy fázových komparátorů, které jsme probírali a cvičně si zkusíte udělat PLL řízené krystalem kmitající někde na 4 MHz pomocí každého z nich.

Pro dnešek kupodivu všechno - zbývá už jenom rada paní Kubáčové novomanželkám - pokud si koupíte šaty v ceně čínského osciloskopu - nedivte se když miláček není nadšen, že mu dovolíte koupit osciloskop v ceně čínských šatů !

Poznámka při druhém čtení : Existují i exotičtější fázové komparátory - příklad - obusměrný čítač, který referenčím signálem čítá nahoru a signálem oscilátoru dolů - výstup čítače pak přes DA pevodník (třeba jednoduchou R2R síť ) dělá napětí pro VCO. Nebo jako vždy dneska - plně "virtuální" varianta softwarového PLL v procesoru.