كيفية إنشاء ضوضاء المرحلة في PLL

تُعد الحلقات المغلقة في الطور لبنة أساسية في تصميم مُركِّب التردد وتُستخدم بشكل روتيني في العديد من التطبيقات، كما يوجد الكثير من أساليب التصميم والمحاكاة، ويتمثل أحد الجوانب الحاسمة لتصميم الحلقة المغلقة الطورية للتطبيقات منخفضة الضوضاء في الفهم لدور الضوضاء في مكونات الأجزاء المختلفة من الحلقة، كما يتم توفير اشتقاق وظائف نقل الضوضاء وبعض النقاط الرئيسية لتحليل ضوضاء الحلقة المقفلة الطور جنباً إلى جنب مع المحاكاة.

ضوضاء المرحلة المرجعية:

يتبع أداء الضوضاء للمرجع نفس الخطوط العريضة مثل تلك الخاصة بـ “VCO”، لكن الأداء بشكل طبيعي أفضل بكثير، والسبب في ذلك هو أنّ “Q” من البلورة أعلى بكثير من حجم الدائرة المضبوطة في “VCO”، وعادةً يمكن تحقيق أرقام من “-110 ديسيبل / هرتز” عند “10 هرتز” من الناقل و”140 ديسيبل / هرتز” عند “1 كيلو هرتز” من فرن بلوري، والأرقام من هذا الطلب مُناسبة تماماً لمعظم التطبيقات.

إذا كانت هناك حاجة إلى مستويات أقل من الضوضاء المرجعية، فيمكن الحصول عليها ولكن بتكلفة، حيث في الحالات التي تكون فيها عوامل الضرب الكبيرة ضرورية، قد يكون المرجع منخفض الضوضاء هو الخيار الوحيد، ولكن نتيجة للتكلفة يجب تجنبها قدر الإمكان، وغالباً ما تتوفر قطع المستويات النموذجية لضوضاء الطور مع الأفران البلورية التي تقدم دليلاً دقيقاً لمستوى ضوضاء الطور الناتج عن المرجع.

• “VCO” هي اختصار لـ “voltage-controlled oscillator”.

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

ضوضاء طور مقسم تردد المركب:

تظهر ضوضاء الحاجز داخل النطاق الترددي للحلقة، ولكن عادةً ما تكون مستويات الضوضاء المتولدة داخل الحاجز منخفضة جداً، حيث إذا كان التحليل مطلوباً، فسيتم العثور على أنّ الضوضاء تتولد في نقاط مختلفة داخل الحاجز، وكل منها سيخضع لعامل ضرب مختلف يعتمد على المكان الذي يتم إنشاؤه فيه في الحاجز ونسبة القسمة المستخدمة من تلك النقطة.

تستخدم معظم سلاسل المقسمات عدة فواصل، وإذا تم إجراء تحليل تقريبي فقد يكون أكثر ملاءمة للنظر فقط في الجهاز أو الأجهزة الأخيرة في السلسلة؛ لأنّ هذه ستساهم بشكل أكبر في الضوضاء، ومع ذلك يصعب قياس الضوضاء بشكل عام وسيتم رؤيتها مع تلك الناتجة عن كاشف الطور.

تأثير مرشح الحلقة على ضوضاء المرحلة:

هناك مجموعة متنوعة من المعلمات داخل منطقة مرشح الحلقة والتي تؤثر على أداء الضوضاء للحلقة، حيث تتحكم نقاط انقطاع المرشح ونقطة كسب الوحدة للحلقة المحددة بواسطة المرشح في ملف تعريف الضوضاء، ومن حيث الإسهامات في الضوضاء في الحلقة من المحتمل أن يحدث المصدر الرئيسي إذا تم استخدام مكبر تشغيلي.

إذا كانت هذه هي الحالة يجب استخدام مجموعة متنوعة منخفضة الضوضاء، وإلّا فإنّ المرشح سوف يعطي مساهمة كبيرة في ملف تعريف ضوضاء طور الحلقة، وغالباً ما يُنظر إلى هذه الضوضاء على أنّها مدمجة مع تلك الصادرة من كاشف الطور، ممّا يبدو أنّها تحط من أدائها من المثالي.

رسم أداء ضوضاء طور المزج:

بعد فحص مكونات الضوضاء من كل عنصر في الحلقة، من الممكن تكوين صورة لكيفية أداء الحلقة بأكملها، وفي حين أنّ هذا يمكن إجراؤه رياضياً، فإنّ النهج الرسومي البسيط يكشف بسرعة عن تقدير للأداء ويوضح العناصر الرئيسية التي تساهم في الضوضاء، وبهذه الطريقة يمكن إجراء بعض إعادة التصميم قبل إنشاء التصميم، ممّا يتيح اختيار الخيار الأفضل على لوحة الرسم.

كما من المحتمل أن يحتاج إلى بعض التحسين بمجرد بنائه، لكن هذه الطريقة تمكن من جعل التصميم قريباً قدر الإمكان مسبقاً، حيث من الضروري الحصول على استجابة الحلقة، وهذا يعتمد على مجموعة متنوعة من العوامل بما في ذلك الكسب حول الحلقة واستجابة مرشح الحلقة، أمّا لتحقيق الاستقرار يجب أن ينخفض ​​كسب الحلقة بمعدل “20 ديسيبل لكل عقد” أي “6 ديسيبل لكل جواب” عند نقطة كسب الوحدة.

يمكن استخدام مجموعة متنوعة من المرشحات بشرط استيفاء هذا المعيار، وغالباً ما يكون من المفيد زيادة استجابة الحلقة بمعدل أكبر من ذلك داخل النطاق الترددي للحلقة، حيث من خلال القيام بذلك يمكن تخفيف ضوضاء “VCO” بشكل أكبر، أمّا خارج النطاق الترددي للحلقة يمكن أن يساعد معدل السقوط الأكبر في قمع النطاقات الجانبية المرجعية غير المرغوب فيها بشكل أكبر.

حيث من خلال معرفة مرشح الحلقة المختار يمكن حساب نقاط الفاصل ومع معرفة اكتساب الحلقة، كما يمكن رسم استجابة الحلقة الإجمالية، ومع الاستجابة المعروفة يمكن إضافة المكونات من الكتل الفردية في الحلقة لأنّها ستتأثر بالحلقة وستظهر عند النواتج.

حيث في “VCO”، وخارج النطاق الترددي للحلقة فإنّ خاصية الضوضاء الخاصة بها غير معدلة، ولكن بمجرد دخول هذه النقطة فإنّ عمل الحلقة يخفف من الضوضاء، أولاً بمعدل “20 ديسيبل لكل عقد”، وبعد ذلك بمعدل “40 ديسيبل لكل عقد”، أمّا التأثير العام لذلك هو تعديل استجابة الخاصية، كما أنّه خارج عرض نطاق الحلقة يُترك المظهر الجانبي للضوضاء بدون تعديل، وبعيداً تكون الضوضاء ثابتة، ولكن في ضوضاء “VCO” ترتفع بمعدل “20 ديسيبل لكل عقد”.

وداخل عرض النطاق الترددي للحلقة سيتم تخفيف ضوضاء “VCO” أولاً بمعدل “20 ديسيبل لكل عقد”، ممّا يعطي في هذه الحالة ملف تعريف ضوضاء ثابتاً، ثم مع زيادة كسب الحلقة عند نقطة توقف المرشح إلى “40 ديسيبل لكل عقد”، يؤدي هذا إلى انخفاض في ملف ضوضاء “VCO” بمقدار “-20 ديسيبل لكل عقد”، ومع ذلك في ملف تعريف ضوضاء “VCO” المستقل يرتفع إلى “-30 ديسيبل لكل عقد”، كما يعطي عمل الحلقة انخفاضاً إجمالياً قدره “-10 ديسيبل لكل عقد”.

يمكن حساب آثار المساهمات الهامة الأخرى، كما يمكن بسهولة استنتاج الاستجابة المرجعية من أرقام الشركات المصنعة، وبمجرد الحصول عليها يجب أن يكون لها تأثير عامل مضاعفة الحلقة المضافة، حيث بمجرد حساب هذا يمكن إضافة تأثير الحلقة لا يوجد أي تأثير داخل الحلقة على خاصية الضوضاء، ولكن خارج هذا التردد سوف يخفف الضوضاء المرجعية، أولاً بمعدل “20 ديسيبل لكل عقد” ثم بعد نقطة توقف المرشح عند “40 ديسيبل لكل عقد”.

المساهم الرئيسي الآخر في ضوضاء الدائرة هو كاشف الطور، حيث يتم التعامل مع تأثير هذا بنفس طريقة التعامل مع المرجع مع تأثير مضاعفة الحلقة المضافة، وبعدها يتم تبطيئها خارج النطاق الترددي للدائرة، وبمجرد إنشاء كافة المنحنيات الفردية يمكن دمجها في قطعة أرض واحدة للحصول على صورة كاملة لأداء آلة النطق، وعند القيام بذلك يجب أن تتذكر أنّه من الضروري إنتاج مجموع “RMS” لمكونات؛ لأنّ مصادر الضوضاء غير مرتبطة.

بمجرد الانتهاء من ذلك يمكن تحسين الأداء عن طريق تغيير عوامل، مثل النطاق الترددي للحلقة وعامل الضرب وربما طوبولوجيا الحلقة للحصول على أفضل أداء والتأكد من تلبية المواصفات المطلوبة، حيث في معظم الحالات يتم اختيار عرض النطاق الترددي للحلقة بحيث يتم إجراء انتقال سلس نسبياً بين مساهمات الضوضاء داخل وخارج الحلقة، وهذا يتوافق عادة مع أدنى حالة ضوضاء عامة.

على الرغم من أنّ هذا النهج قد يبدو “منخفض التقنية” إلى حد ما في بيئة الهندسة المحوسبة للغاية اليوم، إلّا أنّه يتميز بسهولة تجميع الأهداف المرئية للأداء المتوقع معاً، وبهذه الطريقة يمكن تحديد مناطق المشكلات بسرعة، وتحسين أداء الضوضاء للمركب بأكمله قبل الالتزام بالتصميم النهائي.

• “RMS” هي اختصار لـ “Root Mean Square”.