كيفية تصميم مركب PLL لضوضاء منخفضة الطور

هناك العديد من البرامج المستخدمة للتنبؤ بأداء ضوضاء الطور لأجهزة توليف التردد “PLL”، ونظراً لأنّ ضوضاء الطور هي معلمة أداء رئيسية لأجهزة توليف التردد، فمن المهم تعيين الهيكل الأولي للمركب مع وضع أداء ضوضاء الطور في الاعتبار.

ضوضاء المرحلة في أجهزة توليف PLL:

يتم إنشاء ضوضاء الطور في نقاط مختلفة حول حلقة المركب، واعتماداً على مكان إنشائها، فإنّها تؤثر على النواتج بطرق مختلفة، فعلى سبيل المثال الضوضاء الناتجة عن “VCO” لها تأثير مختلف عن تلك الناتجة عن كاشف الطور، كما يدل هذا على أنّه من الضروري النظر إلى أداء الضوضاء لكل كتلة دائرة في الحلقة عند تصميم المركب، بحيث يتم الحصول على أفضل أداء للضوضاء.

بصرف النظر عن ضمان تقليل الضوضاء من كل جزء من الدائرة إلى الحد الأدنى المطلق، فإنّ مرشح الحلقة هو الذي له أكبر تأثير على الأداء النهائي لدائرة؛ لأنّه يحدد ترددات الفاصل، وحيث أنّ الضوضاء جزء من أجزاء مختلفة من الدائرة وتبدأ في التأثير على النواتج، فمثلاً الضوضاء في “VCO”، يتم تقسيم الضوضاء الصادرة عن المذبذب بواسطة سلسلة المقسم ويظهر في كاشف الطور، كما يظهر كاضطرابات صغيرة في طور الإشارة ويظهر عند ناتج كاشف الطور، وعندما يتعلق الأمر بفلتر الحلقة تظهر فقط تلك الترددات التي تكون أقل من نقطة القطع الخاصة بها عند طرف التحكم في “VCO” لتصحيح الضوضاء أو إزالتها.

من هذا يمكن ملاحظة أنّ ضوضاء “VCO” الموجودة داخل عرض النطاق الترددي للحلقة يتم تخفيها، ولكن ما هو خارج النطاق الترددي للحلقة يتم تركه دون تغيير، ويختلف الوضع قليلاً بالنسبة للضوضاء الناتجة عن المرجع، حيث يدخل إلى كاشف الطور ويمرر مرة أخرى عبره إلى مرشح الحلقة، كما يُسمح للمكونات الموجودة أسفل تردد القطع بالمرور وتظهر على طرف التحكم في “VCO”، كما يتم إضافة ضوضاء إلى إشارة النواتج، لذلك يمكن ملاحظة أنّ الضوضاء من المرجع تضاف إلى إشارة النواتج داخل عرض النطاق الترددي للحلقة، ولكن يتم تخفيفها خارج هذا النطاق.

يمكن تطبيق أساليب مماثلة على جميع كتل الدوائر الأخرى داخل الحلقة، ومن الناحية العملية، فإنّ الكتلة الأخرى الوحيدة التي لها عادة أي تأثير كبير هي كاشف الطور، وتؤثر ضوضاءها على الحلقة بنفس الطريقة تماماً مثل الضوضاء الصادرة عن المرجع، وإذا تم استخدام أجهزة توليف متعددة الحلقات فيمكن استخدام نفس الوسيطات مرة أخرى.

• “VCO” هي اختصار لـ “Voltage controlled oscillator”.

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

مضاعفة ضوضاء المرحلة في أجهزة توليف PLL:

نظراً لأنّه يتم إنشاء ضوضاء في نقاط مختلفة حول الحلقة، فمن الضروري اكتشاف تأثير ذلك على النواتج، ونتيجةً لذلك من الضروري ربط جميع التأثيرات مرة أخرى بـ “VCO”، وبصرف النظر عن العناصر المختلفة في الحلقة التي تؤثر على الضوضاء عند النواتج بطرق مختلفة، فإنّ تأثير الضرب في الحلقة له تأثير أيضاً وتأثير الضرب مهم جدا، كما وجد أنّ مستوى ضوضاء الطور في بعض المناطق يزداد تماشياً مع عامل الضرب، أي نسبة تردد الناتج النهائي إلى تردد مقارنة الطور.

كما في الواقع يتم زيادتها بمعامل  “20log10 N”، حيث “N” هو عامل الضرب، كما لا يتأثر “VCO” بهذا لكن أي ضوضاء من كاشف المرجع والمرحلة تخضع لهذه الكمية من التدهور، وحتى الإشارات المرجعية الجيدة جداً يمكن أن تكون مصدراً رئيسياً للضوضاء إذا كان عامل الضرب مرتفعاً، فعلى سبيل المثال الحلقة التي تحتوي على مقسم مضبوط على “200” ستضاعف ضوضاء المرجع وكاشف الطور بمقدار “46 ديسيبل”، ومن هذه المعلومات يمكن تكوين صورة لأداء آلة التحكم.

كما يمكن ملاحظة أنّ الضوضاء داخل عرض النطاق الترددي للحلقة ترجع أساساً إلى مكونات مثل كاشف الطور والمراجع، بينما تولد “VCO” الضوضاء خارج الحلقة، كما تظهر في الإشارة حدبة طفيفة عند النقطة التي ينقطع فيها مرشح الحلقة وينخفض ​​كسب الحلقة إلى الوحدة، ومن خلال التنبؤ بأداء الحلقة، من الممكن تحسين الأداء أو إلقاء نظرة على المناطق التي يمكن معالجتها لتحسين أداء جهاز المزج بالكامل قبل إنشاء الحلقة، ومن أجل تحليل الحلقة بشكل أكبر من الضروري النظر إلى كل كتلة دائرة على التوالي.

ضجيج طور المذبذب المتحكم فيه بالجهد:

أداء الضوضاء للمذبذب له أهمية خاصة، وهذا لأنّ أداء الضوضاء للمركب خارج الحلقة محكوم تماماً بأدائه وبالإضافة إلى ذلك قد يؤثر أدائها على القرارات المتعلقة بمناطق أخرى من الدائرة، كما أنّ مخطط الضوضاء النموذجي لـ “VCO” مسطح عند تحالفات التردد الكبيرة من الموجة الحاملة، كما يتم تحديده إلى حد كبير من خلال عوامل مثل رقم الضوضاء للجهاز النشط.

يمكن تحسين أداء هذه المنطقة من تشغيل المذبذب من خلال ضمان تشغيل الدائرة في ظل ظروف أداء الضوضاء المثلى، حيث هناك طريقة أخرى تتمثل في زيادة مستوى طاقة الدائرة بحيث تتحسن الإشارة إلى نسبة الضوضاء “SNR”، كما يبدأ التقريب في الضوضاء في الارتفاع بمعدل “20 ديسيبل لكل عقد” في البداية.

يتم تحديد النقطة التي يبدأ عندها هذا الارتفاع بشكل أساسي بواسطة “Q” لدائرة المذبذب، كما ستضمن الدائرة قيمة “Q” عالية، أي أداء ضوضاء جيد، كما إنّ “VCOs” لديها “Q” منخفضة بطبيعتها وتتغير قيمة “Q” بسبب الضبط المتغير المستخدم عادةً، كما يمكن تحسين الأداء عن طريق زيادة “Q”، ولكن هذا غالباً ما يؤدي إلى تقليل تغطية المذبذب.

لا يزال مستوى الضوضاء في اتجاه الموجة الحاملة يبدأ في الارتفاع بشكل أسرع بمعدل “30 ديسيبل لكل عقد”، كما ينتج هذا من وميض أو ضوضاء “1 / f”، ويمكن تحسين ذلك عن طريق زيادة مستوى التغذية المرتدة منخفضة التردد في دائرة المذبذب، أمّا في الدائرة القياسية ثنائية القطب يمكن لمقاوم صغير غير متجاوز في دائرة الباعث أن يعطي تحسينات كبيرة.

لتكون قادراً على تقييم أداء الحلقة بأكملها، من الضروري تقييم أداء المذبذب بمجرد تصميمه وتحسينه، وفي حين أنّ هناك عدداً من الطرق لتحقيق ذلك، فإنّ الأكثر نجاحاً بشكل عام هو وضع المذبذب في حلقة ذات عرض نطاق ضيق، وبعد ذلك قياس أدائه باستخدام محلل الطيف، ومن خلال تثبيت المذبذب ثابتاً يمكن تحقيق ذلك بسهولة نسبياً.

ومع ذلك فإنّ النتائج صالحة فقط خارج النطاق الترددي للحلقة، ومع ذلك من المحتمل أن يكون لحلقة الاختبار عرض نطاق أضيق بكثير من الحلقة التي يتم تصميمها، فإنّ مستويات الضوضاء في منطقة الاهتمام لن تتغير.

• “SNR” هي اختصار لـ “Signal to Noise Ratio”.

ضوضاء كاشف طور المركب:

مثل الإشارة المرجعية يُعد أداء كاشف الطور أمراً حاسماً في تحديد أداء الضوضاء ضمن عرض نطاق الحلقة، وهناك عدد من الأنواع المختلفة لكاشف الطور، والفئتان الرئيسيتان هما التماثلية والرقمية، كما تُستخدم الخلاطات لإعطاء كاشفات الطور التماثلية، حيث إذا كانت نسبة إشارة الناتج إلى الضوضاء جيدة قدر الإمكان، فمن الضروري التأكد من أنّ مستويات إشارة الإدخال عالية قدر الإمكان ضمن حدود تشغيل الخلاط.

عادةً قد يقتصر إدخال الإشارة على حوالي “-10 ديسيبل” ومدخل المذبذب المحلي إلى “+10 ديسيبل ميلي واط”، حيث في بعض الحالات يمكن استخدام الخلاطات ذات المستوى الأعلى مع مستويات مذبذب محلي “+17 ديسيبل ميلي واط” أو أعلى، كما يجب أيضاً اختيار الخلاط ليكون لديه منخفض نسبة درجة حرارة الضوضاء “NTR”.

نظراً لأنّ الناتج هو “DC” مقترناً، فمن الضروري أن يكون لديك مقاومة تحميل منخفضة للإنتاج لمنع تطور التحيز إلى الوراء، كما يمكن أن يؤدي ذلك إلى إعاقة تشغيل الخلاط وتقليل أداء الضوضاء، كما من الممكن حساب أداء الضوضاء النظرية للخلاط في ظل الظروف المثلى، ومن المحتمل أن يعطي الخلاط التماثلي مستوى ضوضاء يبلغ حوالي “-153 ديسيبل / هرتز”.

هناك مجموعة متنوعة من أجهزة الكشف عن الطور الرقمي التي يمكن استخدامها،ومن الناحية النظرية تُعطي هذه الضوضاء أداءً أفضل من نظيرتها التماثلية، وفي أفضل الأحوال سيعطي نوع البوابة “OR” البسيط أرقاماً أفضل بحوالي “10 ديسيبل” من الكاشف التماثلي، وسيعطي النوع المشغل مثل نوع D المزدوج أو ما شابه أداءً أفضل بحوالي “5 ديسيبل” من الكاشف التماثلي.

هذه الأرقام هي الأمثل نظرياً ويجب التعامل معها كدليل على الرغم من أنّها كافية لتقديرات الضوضاء الأولية، أمّا من الناحية العملية قد تعني العوامل الأخرى أنّ الأرقام مختلفة، كما يمكن لمجموعة متنوعة من العوامل بما في ذلك ضوضاء مصدر الطاقة وتخطيط الدائرة وما إلى ذلك، كما تؤدي إلى تدهور الأداء من المستوى المثالي، وإذا كانت هناك حاجة إلى قياسات دقيقة للغاية، فإنّ النتائج من الاستخدام السابق للدائرة أو من حلقة اختبار خاصة يمكن أن توفر النتائج المطلوبة.

• “NTR” هي اختصار لـ “Noise Temperature Ratio”.

• “DC” هي اختصار لـ “Direct Current”.