PLL( Phase Locked Loop )

목차

1. PLL이란 무엇인가?

2. PLL은 크게 세가지 블록으로 나눌 수 있다.

3. PLL의 간단한 역사

4. 위상 검출기

5. 전압제어 발진기(VCO)

6. 루우프 필터

7. 주파수 신디사이저

본문내용

방식 위상 검출기의 입출력 특성 >
- 에지 트리거 방식 검출기는 배타적 논리합 검출기에 비해 켑쳐(포획), 트래킹 및 로크특성이 훨씬 우수하다.
전압제어 발진기(VCO)
VCO란 무엇인가?
- 출력주파수가 입력제어 전압에 직접 비례하는 네트워크를 말하는 것이다.
- VCO는 또 전압-주파수 변환기라고도 부를수 있으며 수학적으로는 다음과 같이 나타낸다.
W_O ~=~K_O V_f
W_0
: VCO출력주파수 (rad/s)
V_f
: 루우프 필테에서 출력되는 VCO의 입력 제어전압
K_0
: VCO의 변조 감도
입력제어전압을 주파수로 변환하는 비례정수이다.
▣ MC 4024 전압제어형 멀티 바이브레이터(VCM)
< MC 4024 전압제어형 멀티바이브레이터의 단자배치 >
< MC 4024의 회로구성 >
- 동작 주파수 범위는 3핀과 4핀간(또는 10핀과 11핀간)에 외부 접속하는 컨덴서에 의해 제어할 수 있다.
- MC 4024의 최대 출력주파수는 이상상태에서 25MHz이다.
MC 1648 전압제어형 발진기
< MC 1648 전압제어형 발진기의 단자배치 >
< MC 1648의 회로구성 >
MC 1648이 발진하기 위해서는 외부에 병렬의 코일과 컨덴서 즉 LC 탱크회로가 필요하다.
앞의 회로의 경우 발진주파수는 다음 식으로 구해진다.
W_0 ~=~ 1 OVER ROOT {LC_T } ~~ (rad/s)
f_0 ~=~ 1 over {2 pi root{LC_T }}~~~(Hz)
C_T
- 발진기 탱크회로의 용량(C)과 MC1648의 입력단자용량(평균값은 6pF)의 합이다.
외부 탱크회로의 정수에 적절한 값을 설정하면 출력주파수는 약 225MHz까지 출력할 수 있다.
< MC 1648의 버랙터 다이오드를 사용한 회로 >
- VCO에 변동하는 입력전압을 인가할 수 있게 된 탱크회로의 부품으로서 일반
적으로 버랙터(varactor) 다이오드라고 불리는 전압제어형 다이오드가 이용된다.
◈ 버랙터
- 버랙터 다이오드는 일반적으로 발진기 LC 탱크회로의 용량을 변화시키는데 사용된다.
- 기본적으로 버랙터는 반도체 현상을 바탕으로 한 전압에 의한 가변용량이며 전자적 동조를 필요로 하는 응용에 이용되고 있다.
루우프 필터
루우프 필터의 기능
① 위상검출기의 출력전압에서 고주파 성분과 잡음을 제거하여 평균직류전압을 공급하는 것이다.
② 루우프의 동특성을 정하는 기본블럭이기 때문에
- 캡쳐로크레인지
- 대역폭
- 과도응답
등을 정하는 요인이 되고 있다.
▣ 1차지연 RC 로우패스 필터
이 필터의 커트오프 주파수 (
W_LPF
)
W_LPF ~=~ 1 OVER RC ~~(rad/s)
▣ 1차지연 래그 리이드 로우패스 필터
이 필터의 커트오프 주파수는
W_LPF ~=~ 1 over { ( R_1 ~+~R_2 ) C } ~~~(rad/s)
▣ 능동 로우패스 필터
이 필터의 고유주파수는
W_LPF ~=~ 1 OVER {R_1 C}~~~(rad/s)
▣ 과도응답
- PLL에 있어서 주파수를 하나의 값(
f_1
)에서 다른 값(
f_2
)으로 바꾸는 식으로 약제동된 2차 지연 시스팀의 입력에 급격한 변화를 주면 VCO의 출력은 이 변화에 잠시동안
f_2
값 근처에서 진동하고 잠시후 새로운 주파수로 안정한다. (즉 정상상태가 된다)
→ 이 과정이 얼마나 빨리 완료하는가는 루우프의 댐핑팩터에 의존하고 댐핑팩터는 루우프 필터에 의해서 제어된다.
▣ 댐핑팩터
- 위와 같이 정확하게 1사이클 떨어진 연속하는 두 피이크 높이를 알므로서 댐핑팩터를 간단히 짐작할 수 있다.
zeta ~=~ r over root{1-r^2 }
r~=~ 1 over 2pi ln y_A over y_B
< 정규화된 과도 응답 >
- 세틀링 타임(
t_S
)이란 과도응답이 정상상태값의 어느 정해진 비율(예를 들면 10%)의 범위내에 들기까지의 시간이다.
- 오우버슈트란 PLL의 입력에 급격한 변화가 주어졌을 때의 과동상태와 정상상태의 값 사이의 최대편차를 말한다.
예제) 루우프 필터를 써서 루우프의 입력에 주파수 (또는 위상)변화가 입력되고부터 10ms후에 출력이 정상상태의 10%이내가 되도록 댐핑팩터 0.5의 PLL을 설계해보자.
sol) 앞장의 그림을 보면 0.5의 댐핑팩터일때 응답이 정상상태의 10%가 되는
W_n t_S
= 4.5 라는 것을 알 수 있다.
세틀링 타임이 10ms이므로 루우프의 고유 주파수(
W_n
)는 다음과 같다.
W_n t_S
= 4.5
W_n
=
4.5 over t_S
W_n ~=~ 4.5 over 10ms
▣ 고유주파수(
W_n
)
- 주어진 댐핑팩터의 값에 대하여 응답이 최대가 되는 주파수가 비제동 고유주파수 또는 단지 고유 주파수이다.
주파수 신디사이저
주파수 신디사이저란?
- 프로그래머블 카운트의 값을 조정함으로써 보다 광범위한 주파수를 출력하는 PLL을 말한다.
- 무선기기의 기본기능은 전파를 수신하거나 송신하는것이다. 이 경우 목적으로 하는 주파수 이외의 전파를 수신하거나 송신하지 않도록 주파수의 설정확도르 높이는 것이 중요하다. 이 확도를 향상시키기 위하여 무선기기의 동조회로에 사용되고 있는것이 주파수 신디사이저이다.
- 주파수 신디사이저란 수정 발진기등의 기준 주파수를 이용하여 다른 주파수 성분을 꺼내거나 몇가지 기준 주파수를 조정함으로써 목적으로 하는 주파수를 합성하는 것이다.
< 주파수 신디사이저의 블록도 >
- 기본적으로 주파수 신디사이저는 출력이 기준입력 주피수의 정수배인 주파수원이다.
- 위와같이 기본적인 주파수 신디사이저는 VCO와 위상검출기사이의 접속을 끊고 N분주 카운터를 넣은 PLL로 구성된다.
- 신디사이저의 위상 비교기는 기준 주파수
f_REF
와 N분주 카운터의 출력주파수
f_o /N
의 위상차에 비례한 평균전압을 발생한다.
- N분주 카운터는 통상 섬훨 스위치에 의해서 제어된다. 입력펄스 N개마다 하나의 출력펄스를 발생한다.
- 위상검출기의 출력전압은 필터를 통한후 VCO의 출력주파수(
f_0
)를 제어하는데 VCO의 출력주파수는 페이즈 로크되어있는 동안은 기준 입력 주파수의 N배와 같다.

키워드

PLL,   Phase,   Locked,   Loop,   전압