Dạng gián tiếp của bộ tổng hợp tần số RF dựa trên vòng khóa pha hoặc PLL là dạng tổng hợp RF được sử dụng phổ biến nhất.

Bằng cách đặt bộ chia kỹ thuật số hoặc bộ trộn vào mạch khóa pha, có thể tổng hợp tín hiệu trên các tần số mới. Do việc này được thực hiện gián tiếp, tức là sử dụng vòng khóa pha, các bộ tổng hợp này được gọi là bộ tổng hợp tần số gián tiếp.

Bộ tổng hợp sử dụng bộ chia kỹ thuật số trong vòng lặp được gọi là bộ tổng hợp PLL kỹ thuật số và bộ tổng hợp sử dụng bộ trộn tín hiệu tương tự được gọi là bộ tổng hợp PLL tương tự.

Mặc dù các vòng lặp tổng hợp tương tự có thể được sử dụng riêng lẻ, chúng cũng được sử dụng rộng rãi trong các bộ tổng hợp lớn hơn và có thể hoạt động như một vòng lặp dịch tần số.

Do dễ sử dụng và hiệu suất cao, bộ tổng hợp PLL được sử dụng trong vô số sản phẩm vô tuyến khác nhau và nhiều kỹ thuật khác nhau được sử dụng theo nhiều cách khác nhau trong thiết kế mạch RF.

Tóm tắt vòng khóa pha

Loại bộ tổng hợp tần số RF này hoạt động dựa trên vòng khóa pha. Do đó, cần tóm tắt nhanh về cách thức hoạt động của bộ PLL trước khi đi vào giải thích về hoạt động của bộ tổng hợp và thiết kế mạch RF.

Sơ đồ cơ bản của vòng khóa pha cơ bản

Hiểu rõ về hoạt động của vòng khóa pha không chỉ giúp hiểu rõ hoạt động của bộ tổng hợp mà còn rất cần thiết cho thiết kế mạch RF của bất kỳ mạch điện tử nào trong số này.

Khái niệm về vòng khóa pha dựa trên thực tế là pha của hai tần số có thể được so sánh. Khi độ lệch pha thay đổi, sẽ có một độ lệch tần số giữa chúng (tần số theo định nghĩa tương ứng với sự thay đổi pha). Tuy nhiên, khi độ lệch pha ổn định nhưng không thay đổi, tần số của các tín hiệu được so sánh là hoàn toàn giống nhau.

Nếu một mạch điện tử được thiết lập trong đó các tín hiệu từ bộ dao động điều khiển bằng điện áp và bộ dao động ổn định như bộ dao động tinh thể được đưa vào bộ dò pha, thì đầu ra sẽ tỷ lệ thuận với độ lệch pha giữa chúng.

Đầu ra từ bộ tách sóng pha thực chất là một điện áp lỗi và có thể được đưa trở lại cực điều khiển của VCO để kéo nó về tần số tham chiếu. Cuối cùng, điện áp lỗi sẽ ổn định, nghĩa là có một độ lệch pha không đổi (nhưng không thay đổi) giữa tần số dao động tham chiếu và tần số của VCO, tức là tham chiếu và VCO ở cùng tần số và vòng lặp được khóa.

Để hoàn thiện vòng lặp, một bộ lọc được đặt giữa bộ dò pha và đầu cuối VCO. Bộ lọc này cung cấp nhiều chức năng: lọc bỏ các thành phần không mong muốn của tần số tham chiếu, kiểm soát đặc tính nhiễu pha của vòng lặp và là một yếu tố chính trong việc xác định độ ổn định của vòng lặp.

Lưu ý về Vòng khóa pha, PLL:

Vòng khóa pha (PLL) là một khối xây dựng RF rất hữu ích. PLL sử dụng khái niệm giảm thiểu sự khác biệt về pha giữa hai tín hiệu: tín hiệu tham chiếu và bộ dao động cục bộ để sao chép tần số tín hiệu tham chiếu. Sử dụng khái niệm này, PLL có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng, từ bộ tổng hợp tần số đến bộ giải điều chế FM, và tái tạo tín hiệu.

Cơ bản về bộ tổng hợp tần số PLL

Vòng khóa pha, PLL, cần một số mạch bổ sung nếu nó được chuyển đổi thành bộ tổng hợp tần số.

Vòng lặp bị hỏng và các khối bổ sung được thêm vào để cung cấp hoạt động tổng hợp tần số. Các khối này cho phép đầu ra của vòng khóa pha tạo ra tín hiệu ở tần số khác với tần số của tín hiệu tham chiếu.

Hoạt động cơ bản của vòng lặp vẫn được duy trì. Bộ dò pha tạo ra điện áp lỗi tỷ lệ thuận với độ lệch pha giữa hai tín hiệu đầu vào. Điều này có nghĩa là bộ dao động điều khiển bằng điện áp sẽ chạy ở tần số khác với tần số của bộ dò pha hoặc tần số so sánh.

Có hai cách chính để tạo ra bộ tổng hợp tần số từ các vòng khóa pha:

• Bộ tổng hợp PLL kỹ thuật số:  Đây là khái niệm nền tảng của hầu hết các bộ tổng hợp vòng đơn. Nó bao gồm việc đặt một bộ chia kỹ thuật số vào vòng lặp giữa bộ dao động điều khiển bằng điện áp. Điều này có nghĩa là tần số dao động điều khiển bằng điện áp sẽ được chia cho tỷ số chia của bộ chia, ví dụ n, và VCO sẽ chạy ở tần số gấp n lần tần số so sánh pha. Bằng cách thay đổi tỷ số chia của bộ chia, tần số đầu ra của bộ dao động có thể được thay đổi. Điều này làm cho bộ tổng hợp tần số có thể lập trình được.

Bộ tổng hợp tần số kỹ thuật số cơ bản

Các bộ tổng hợp tần số kỹ thuật số này lý tưởng cho nhiều ứng dụng riêng lẻ. Chúng hoạt động tốt ở những nơi có sự chênh lệch giữa các kênh tương đối lớn. Khi cần điều chỉnh liên tục ảo với các bước 1 Hz hoặc 10 Hz, điều này đòi hỏi tỷ số chia rất cao, có thể làm giảm hiệu suất nhiễu pha và phát sinh các vấn đề khác. Để đạt được hiệu suất mong muốn, có thể cần kết hợp bộ tổng hợp PLL kỹ thuật số với một số kỹ thuật tương tự như mô tả dưới đây.

• Bộ tổng hợp PLL tương tự:  Dạng tổng hợp tần số này đưa một bộ trộn vào PLL giữa bộ dao động điều khiển bằng điện áp và bộ tách pha. Bằng cách đưa tín hiệu bên ngoài vào đầu kia của bộ trộn, một độ lệch cố định bằng với tần số bên ngoài được đưa vào vòng lặp.

Bộ tổng hợp tần số tương tự cơ bản

Cần thận trọng khi thiết kế bộ tổng hợp tín hiệu tương tự vì có thể có vấn đề với tín hiệu hình ảnh. Mặc dù pha của bộ dò pha bị đảo ngược, vẫn cần đảm bảo hệ thống chỉ nhìn thấy kịch bản trộn chính xác. Đôi khi, điện áp lái có thể được áp dụng cho VCO để đảm bảo hoạt động chính xác.

Ứng dụng tổng hợp PLL

Hai loại bộ tổng hợp PLL này thường được sử dụng trong các ứng dụng khác nhau. Các đặc tính khác nhau của chúng cho phép chúng có những ứng dụng hơi khác nhau và trong các thiết kế RF khác nhau, mặc dù chúng thường được thấy hoạt động cùng nhau trong một bộ tổng hợp đa vòng.

Bộ tổng hợp PLL kỹ thuật số:  Bộ tổng hợp PLL kỹ thuật số là loại phổ biến nhất. Nó có thể cung cấp một bộ dao động có thể cung cấp đầu ra rất ổn định để sử dụng làm bộ dao động cục bộ trong radio, nguồn tín hiệu trong máy phát tín hiệu, v.v. Bộ tổng hợp PLL sẽ đưa ra đầu ra trên các tần số được phân tách bằng bước sóng xác định bởi tần số so sánh pha. Điều này lý tưởng khi cần phân kênh hoạt động, chẳng hạn như trong radio phát sóng, nơi các kênh khác nhau được phân tách theo số lượng đã đặt, liên lạc vô tuyến VHF UHF với các kênh riêng biệt, cũng như liên lạc di động, Wi-Fi và nhiều ứng dụng khác cũng có các kênh đã đặt.

Khi cần điều chỉnh liên tục, radio có thể có bộ chọn để điều chỉnh tăng dần. Tuy nhiên, đối với các bước sóng rất nhỏ và tần số cao, loại bộ tổng hợp tần số này có những hạn chế do tỷ lệ chia rất lớn.

Bộ tổng hợp PLL tương tự:  Vòng tổng hợp PLL tương tự có xu hướng được sử dụng như một vòng lặp dịch chuyển trong đó độ lệch do tín hiệu được trộn vào vòng lặp cung cấp.

Điều này có thể được sử dụng cùng với một bộ dao động chạy tự do tần số tương đối thấp để cho phép tính năng biến đổi của bộ dao động biến đổi được chuyển đổi sang tần số cao hơn nhiều. Điều này sẽ kết hợp tính ổn định của bộ dao động tần số thấp với khả năng tần số cao do vòng lặp tổng hợp cung cấp.

Ngoài ra, nó có thể được sử dụng cùng với một vòng lặp tổng hợp kỹ thuật số để vòng lặp kỹ thuật số chạy ở tần số thấp hơn nhiều, nhằm giảm tỷ lệ phân chia cần thiết và cải thiện hiệu suất. Sau đó, vòng lặp tương tự có thể chuyển đổi tần số của nó sang dải tần số cao cần thiết.

Có thể thấy rằng cả hai loại bộ tổng hợp PLL đều có những đặc điểm riêng có thể được sử dụng hiệu quả trong các thiết kế mạch RF khác nhau.

Bộ tổng hợp PLL tương tự và kỹ thuật số được sử dụng theo những cách khác nhau, nhưng cả hai đều có khả năng cung cấp hiệu suất rất cao.

Cũng có thể xây dựng các bộ tổng hợp RF nhiều vòng - các bộ tổng hợp RF nhiều vòng này có thể mang lại mức độ linh hoạt và hiệu suất tổng thể cao hơn, mặc dù thiết kế cần được thực hiện cẩn thận. Đôi khi, cả vòng tổng hợp analog và kỹ thuật số có thể được kết hợp.