جهاز توليف التردد متعدد الحلقات PLL

كما هو الحال مع أي دائرة إلكترونية، هناك أمور يجب إجراؤها، وينطبق الشيء نفسه على أجهزة توليف التردد، فعلى سبيل المثال تؤدي أحجام الخطوات الصغيرة إلى نسب تقسيم عالية في معظم الحالات، وهذا بدوره يضعف أداء ضوضاء الطور بالإضافة إلى عدد من معايير الأداء الأخرى.

ما هو جهاز توليف التردد متعدد الحلقات PLL؟

جهاز توليف التردد RF متعدد الحلقات: هو تقنية مفيدة للغاية يمكن استخدامها عند تصميم أجهزة توليف عالية الأداء.

تتنوع إحدى طرق الحفاظ على مراحل الأداء مع الاحتفاظ بجوانب مثل حجم الخطوة الصغير والتبديل السريع، وكذلك أداء ضوضاء الطور الجيد والجوانب الأخرى في استخدام أكثر من حلقة واحدة.

• “RF” هي اختصار لـ “Radio Frequency”.

• “PLL” هي اختصار لـ “Phase Locked Loop”.

أساسيات جهاز توليف التردد متعدد الحلقات PLL:

يتيح استخدام نهج متعدد الحلقات لتصميم مُركِّب التردد اللاسلكي تحقيق مستويات أعلى بكثير من الأداء، وعلى الرغم من تكلفة التصميم الإضافي والمزيد من الدوائر الإلكترونية، كما تُعد أجهزة توليف التردد “PLL” مرنة بشكل خاص للاستخدام ويمكن التحكم فيها عن طريق الأوامر الرقمية، وبالإضافة إلى ذلك فإنّها توفر العديد من المزايا المتميزة على الأشكال الأخرى من المذبذب المحلي للعديد من التطبيقات في كل من معدات الاتصالات اللاسلكية وكذلك معدات الاختبار.

ونتيجةً لذلك تُستخدم أجهزة توليف التردد “PLL” على نطاق واسع للعديد من تطبيقات الترددات اللاسلكية، وعلى الرغم من توفر أشكال أخرى من المولد بما في ذلك المزج الرقمي المباشر، فإنّ المركب المستند إلى “PLL” له العديد من المزايا ويمكن استخدامه غالباً مع المولدات الأخرى بما في ذلك دوائر “DDS”.

يستقبل مُركب تردد الراديو متعدد الحلقات منخفض الضوضاء إشارة إدخال مرجعية لها تردد “fR” إلى ضبط دقيق “PLL” وإشارة متعرجة “PLL”، كما ينتج عن الضبط الدقيق “PLL” إشارة موالفة دقيقة بتردد “fR × P”، حيث “P” يمثل عددًا صحيحاً، بينما ينتج الإشارة المتعرجة “PLL” إشارة توليف رديئة بتردد “fR × A”، حيث “A” هو عدد صحيح، ويُعد الحصول على “PLL” له عامل مضاعفة الوحدة ويتم دفعها بواسطة إنتاج إشارة الضبط الدقيق، كما يحتوي مُركِّب التردد على خلاط جيلبرت مزدوج متوازن من الخلية.

• “DDS” هي اختصار لـ “Digital Direct Synchronous”.

مكونات مركب تردد متعدد الحلقات:

• طرف إدخال لاستقبال إشارة دخل مرجعية لها تردد “fR”.

• حلقة مقفلة ذات طور دقيق مقترنة بطرف الإدخال وتحركها الإشارة المرجعية للإدخال لإنتاج إشارة ضبط دقيق لها تردد “fR × P”.

• حلقة مقفلة لطور خشن تقترن بطرف الإدخال وتحركها إشارة مرجعية دخل لإنتاح إشارة لحن رديئة لها تردد “fR × A”.

• وحلقة مقفلة في مرحلة الترجمة لها ضرب وحدة.

مكونات دائرة PLL متعددة الحلقات:

• حلقة “PLL” أولية تشتمل على أول “VCO”، وكاشف طور أول به مدخل أول يستقبل تردداً مرجعياً “Fref” ومدخلاً ثانياً يستقبل ناتج أول مقسم قابل للبرمجة، والذي يستقبل الإدخال الإشارة المتولدة بواسطة “VCO” الأول ومرشح الحلقة الأولى المتصل بين كاشف المرحلة الأولى وأول “VCO”.

• حلقة “PLL” إضافية واحدة على الأقل تشتمل على “VCO” ثانٍ وكاشف طور ثانٍ و”R1″ و”N1″ فواصل قابلة للبرمجة ومرشح حلقة ثانية.

• حلقة رئيسية لتوليد تردد ناتج مرغوب فيه “Fout” يشتمل على ثلاثة “VCO”، كاشف طور ثالث ومقسم قابل للبرمجة “Rn” و”Nn” ومرشح حلقة رئيسية وخلاط.

• حلقة “PLL”إضافية ممكنة إضافية تشتمل كل منها على “VCO” وكاشف طور ومقسماً قابلاً للبرمجة “Ri”و”Ni”، ومرشح حلقة مساعدة ثالثة وخلاط.

ملاحظة:“VCO” هي اختصار لـ “Voltage Controlled Oscillators”. 

أسباب استخدام مركب تردد متعدد الحلقات:

• قد يؤدي النظام المبني حول “PLL” وبلورة منخفضة التردد إلى تقليل التكلفة مقارنة بالنظام الذي يستخدم ببساطة بلورة عالية التردد.

• باستخدام “PLL” يمكن تغيير عامل الضرب دون إجراء أي تعديلات على الأجهزة، وبالتالي يمكن توليد العديد من الترددات المختلفة من دارة مذبذب واحدة.

• يمكن أن يولد “PLL” المدمج في معالج دقيق إشارة ساعة عالية التردد في المكان المطلوب، وبالتالي التخلص من المضاعفات مثل “EMI” والانعكاسات المحتملة، والمرتبطة بإرسال إشارات عالية التردد من خلال “PCB”.

تتيح خصائص قفل التردد لـ “PLL” إمكانية إنشاء إشارة دورية عالية الجودة وعالية التردد من مذبذب منخفض الجودة، وهذا هو الاعتبار الأكثر أهمية، لأنّه يمثل أكثر الوظائف الأساسية لـ “PLL”، كما أنّه لا ينتج عن مستقل إشارة الساعة تردد يمكن التحكم فيه بدقة ويكون ثابتاً للغاية بمرور الوقت ودرجة الحرارة.

ومع ذلك فإنّ إجراء القفل الخاص بـ “PLL” يسمح لـ “VCO” بإنشاء ساعة دقيقة ومستقرة، فمثلاً إذا كان هناك مذبذب منخفض التردد قائم على الكريستال بدقة واستقرار ممتازين، فإنّ “PLL “ينقل هذا الأداء أثناء إنتاج تردد أعلى عن طريق التثبيت على الإشارة المستندة إلى الكريستال.

ملاحظة: “EMI” هي اختصار لـ “Electromagnetic interference”. 

كيفية استخدام مركب تردد متعدد الحلقات:

بشكل أكثر تحديداً تكون بحاجة إلى مقسم في حلقة التغذية الراجعة، بحيث يكون لشكل الموجة الذي يتم إرجاعه إلى كاشف الطور تردد أقل من تردد إشارة الناتج التي تم إنشاؤها بواسطة “VCO”، كما قد تجد أنّه من الممكن إلى حد ما أن تقسيم تردد إشارة التغذية الراجعة يؤدي إلى مضاعفة إشارة الناتج.

لكن هذه التقنية ليست جديدة، وفي الواقع إنّه مشابه تماماً لما تجده في واحدة من أكثر الدوائر استخداماً على نطاق واسع في الإلكترونيات، وهي مكبر الصوت الذي لا يعمل على أساس “op-amp”، فمثلاً إذا كان هناك جهاز “op-amp” تم تكوينه كمتابع للجهد، فإنّ يتم توصيل الإنتاج مباشرةً مرة أخرى بطرف الإدخال العكسي.

ونتيجةً لذلك يقوم جهاز “op-amp” بكل ما يحتاج إلى القيام به لجعل جهد الناتج مساوياً لجهد الإدخال، كما يتسبب ترتيب التغذية المرتدة السلبية في قيام “op-amp” بتعديل ناتجها مع وضع هدف واحد في الاعتبار، وكذلك جعل الجهد عند الإدخال المقلوب مساوياً للجهد عند الإدخال غير العكسي، وعندما يكون متصلاً كمتابع للجهد فهذا يعني أنّ “VOut” يجب أن يساوي “Vin”.

لكن مقسم الجهد في حلقة التغذية الراجعة يغير كل شيء، كما أنّ الجهد عند المدخل المقلوب هو “DIV” يكون أحياناً أصغر من الجهد عند الناتج، وبالتالي من أجل جعل جهد الدخل العكسي مساوياً لجهد الإدخال غير المحول، يجب أن يكون جهد الناتج أكبر من “DIV” وبشكل كبير من جهد الدخل.

باستخدام جهاز “op-amp” يتم إنشاء كسب جهد عن طريق تقليل سعة جهد التغذية المرتدة، وباستخدام “PLL” يتم إنشاء كسب تردد عن طريق تقليل تكرار شكل الموجة المرتدة، ولمواصلة القياس، فإنّ كسب دائرة “op-amp” غير المقلوبة يساوي العامل الذي يقسم به جهد التغذية المرتدة، وكذلك مقدار مضاعفة التردد الذي يؤديه “PLL” يساوي العامل الذي يقسم به تردد إشارة التغذية المرتدة.