รูปแบบทางอ้อมของเครื่องสังเคราะห์ความถี่ RF ที่ใช้ลูปล็อกเฟสหรือ PLL ถือเป็นรูปแบบการสังเคราะห์ RF ที่ใช้กันทั่วไปที่สุด

การวางตัวแบ่งดิจิทัลหรือมิกเซอร์ไว้ในวงจรล็อกเฟสทำให้สามารถสังเคราะห์สัญญาณในความถี่ใหม่ได้ เนื่องจากวิธีนี้ทำโดยอ้อม กล่าวคือ ใช้ลูปล็อกเฟส เครื่องสังเคราะห์เสียงเหล่านี้จึงถูกเรียกว่าเครื่องสังเคราะห์ความถี่ทางอ้อม

เครื่องสังเคราะห์เสียงที่ใช้ตัวแบ่งดิจิทัลในลูปเรียกว่าเครื่องสังเคราะห์เสียง PLL ดิจิทัล และเครื่องสังเคราะห์เสียงที่ใช้มิกเซอร์สัญญาณแอนะล็อกเรียกว่าเครื่องสังเคราะห์เสียง PLL แอนะล็อก

ในขณะที่ลูปการสังเคราะห์แบบแอนะล็อกสามารถใช้ได้ทีละรายการ แต่ยังมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในเครื่องสังเคราะห์เสียงขนาดใหญ่ และสามารถทำหน้าที่เป็นลูปการแปลความถี่ได้

เนื่องจากเครื่องสังเคราะห์เสียงแบบ PLL ใช้งานง่ายและมีประสิทธิภาพสูง จึงถูกนำมาใช้ในผลิตภัณฑ์วิทยุที่หลากหลาย และมีการใช้เทคนิคต่างๆ มากมายในรูปแบบต่างๆ ในการออกแบบวงจร RF

สรุปวงจรล็อคเฟส

เครื่องสังเคราะห์ความถี่ RF ประเภทนี้ทำงานบนพื้นฐานของลูปล็อกเฟส ดังนั้น เราจึงจำเป็นต้องสรุปสั้นๆ เกี่ยวกับการทำงานของ PLL ก่อนที่จะอธิบายการทำงานของเครื่องสังเคราะห์และการออกแบบวงจร RF

การทำความเข้าใจการทำงานของลูปล็อกเฟสไม่เพียงแต่เป็นประโยชน์ในการทำความเข้าใจการทำงานของเครื่องสังเคราะห์เสียงเท่านั้น แต่ยังมีความจำเป็นต่อการออกแบบวงจร RF ของวงจรอิเล็กทรอนิกส์เหล่านี้ด้วย

แนวคิดของลูปล็อกเฟสมีพื้นฐานอยู่บนข้อเท็จจริงที่ว่าเฟสของสองความถี่สามารถเปรียบเทียบกันได้ เมื่อความแตกต่างของเฟสเปลี่ยนแปลง จะเกิดการเลื่อนความถี่ระหว่างความถี่ทั้งสอง (ตามนิยามแล้ว ความถี่จะสอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลงเฟส) อย่างไรก็ตาม เมื่อความแตกต่างของเฟสคงที่แต่ไม่เปลี่ยนแปลง ความถี่ของสัญญาณที่ถูกเปรียบเทียบจะเท่ากันทุกประการ

หากมีการตั้งค่าวงจรอิเล็กทรอนิกส์ซึ่งสัญญาณจากออสซิลเลเตอร์ควบคุมแรงดันไฟฟ้าและออสซิลเลเตอร์ที่ไม่เสถียร เช่น ออสซิลเลเตอร์คริสตัล จะถูกป้อนเข้าไปในตัวตรวจจับเฟส เอาต์พุตจะแปรผันตามความแตกต่างของเฟสระหว่างทั้งสอง

เอาต์พุตจากตัวตรวจจับเฟสโดยพื้นฐานแล้วคือแรงดันผิดพลาด และสามารถป้อนกลับไปยังขั้วควบคุมของ VCO เพื่อดึงแรงดันกลับมาที่ความถี่อ้างอิง ในที่สุดแรงดันผิดพลาดจะคงที่ หมายความว่ามีการเลื่อนเฟสอย่างต่อเนื่อง (แต่ไม่เปลี่ยนแปลง) ระหว่างความถี่ออสซิลเลชันอ้างอิงและความถี่ VCO หมายความว่าความถี่อ้างอิงและ VCO อยู่ที่ความถี่เดียวกันและลูปถูกล็อก

เพื่อทำให้วงจรสมบูรณ์ จะมีการติดตั้งตัวกรองระหว่างตัวตรวจจับเฟสและขั้ว VCO ตัวกรองนี้มีหน้าที่หลายอย่าง ได้แก่ กรองส่วนประกอบที่ไม่ต้องการของความถี่อ้างอิง ควบคุมลักษณะสัญญาณรบกวนเฟสของวงจร และเป็นปัจจัยสำคัญในการกำหนดเสถียรภาพของวงจร

หมายเหตุเกี่ยวกับเฟสล็อกลูป (PLL):

เฟสล็อกลูป (PLL) เป็นส่วนประกอบสำคัญของ RF ที่มีประโยชน์อย่างมาก PLL ใช้แนวคิดการลดความแตกต่างของเฟสระหว่างสัญญาณสองสัญญาณ ได้แก่ สัญญาณอ้างอิงและออสซิลเลเตอร์ท้องถิ่น เพื่อจำลองความถี่ของสัญญาณอ้างอิง ด้วยแนวคิดนี้ PLL จึงสามารถนำไปใช้งานได้อย่างหลากหลาย ตั้งแต่เครื่องสังเคราะห์ความถี่ไปจนถึงเครื่องแยกสัญญาณ FM และการสร้างสัญญาณใหม่

พื้นฐานเครื่องสังเคราะห์ความถี่ PLL

เฟสล็อกลูป (PLL) ต้องมีวงจรเพิ่มเติมหากต้องการแปลงเป็นเครื่องสังเคราะห์ความถี่

ลูปถูกตัดออกและมีการเพิ่มบล็อกเพิ่มเติมเพื่อรองรับการสังเคราะห์ความถี่ บล็อกเหล่านี้ช่วยให้เอาต์พุตของลูปล็อกเฟสสามารถสร้างสัญญาณที่ความถี่ต่างจากความถี่ของสัญญาณอ้างอิงได้

การทำงานพื้นฐานของลูปยังคงเหมือนเดิม ตัวตรวจจับเฟสจะสร้างแรงดันไฟฟ้าผิดพลาดที่เป็นสัดส่วนกับความต่างเฟสระหว่างสัญญาณอินพุตทั้งสอง ซึ่งหมายความว่าออสซิลเลเตอร์ที่ควบคุมแรงดันไฟฟ้าจะทำงานที่ความถี่ที่แตกต่างจากตัวตรวจจับเฟสหรือตัวเปรียบเทียบ

มีสองวิธีหลักในการสร้างเครื่องสังเคราะห์ความถี่จากลูปล็อกเฟส:

• เครื่องสังเคราะห์ PLL แบบดิจิทัล:  นี่คือแนวคิดพื้นฐานของเครื่องสังเคราะห์แบบวงเดียวส่วนใหญ่ ซึ่งประกอบด้วยการวางตัวแบ่งดิจิทัลไว้ในวงรอบระหว่างออสซิลเลเตอร์ที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้า ซึ่งหมายความว่าความถี่ของออสซิลเลเตอร์ที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้าจะถูกหารด้วยอัตราส่วนตัวแบ่ง เช่น n และ VCO จะทำงานที่ความถี่การเปรียบเทียบเฟส n เท่า การเปลี่ยนอัตราส่วนตัวแบ่งทำให้สามารถปรับความถี่เอาต์พุตของออสซิลเลเตอร์ได้ ทำให้เครื่องสังเคราะห์สามารถตั้งโปรแกรมได้

เครื่องสังเคราะห์ความถี่ดิจิทัลเหล่านี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานเฉพาะด้านต่างๆ ทำงานได้ดีในพื้นที่ที่มีความต่างระหว่างช่องสัญญาณค่อนข้างมาก เมื่อจำเป็นต้องปรับความถี่แบบต่อเนื่องเสมือน (Virtual Continuous Tuning) ด้วยขั้นตอน 1 Hz หรือ 10 Hz จำเป็นต้องใช้อัตราส่วนการแบ่งความถี่ที่สูงมาก ซึ่งอาจทำให้ประสิทธิภาพของสัญญาณรบกวนเฟสลดลงและเกิดปัญหาอื่นๆ เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพตามที่ต้องการ อาจจำเป็นต้องรวมเครื่องสังเคราะห์ความถี่ดิจิทัล PLL เข้ากับเทคนิคอะนาล็อกบางอย่างที่อธิบายไว้ด้านล่าง

• เครื่องสังเคราะห์ความถี่แบบอะนาล็อก PLL:  การสังเคราะห์ความถี่รูปแบบนี้จะนำมิกเซอร์เข้าสู่ PLL ระหว่างออสซิลเลเตอร์ควบคุมแรงดันไฟฟ้าและตัวตรวจจับเฟส โดยการป้อนสัญญาณภายนอกเข้าที่ปลายอีกด้านหนึ่งของมิกเซอร์ ออฟเซ็ตคงที่เท่ากับความถี่ภายนอกจะถูกนำเข้าสู่ลูป

การออกแบบเครื่องสังเคราะห์เสียงแบบอะนาล็อกต้องระมัดระวัง เนื่องจากอาจเกิดปัญหากับสัญญาณภาพ แม้ว่าเฟสของตัวตรวจจับเฟสจะกลับด้าน แต่ก็ยังจำเป็นต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าระบบมองเห็นเฉพาะสถานการณ์การผสมที่ถูกต้องเท่านั้น บางครั้งอาจใช้แรงดันไฟฟ้าขับเคลื่อนกับ VCO เพื่อให้มั่นใจว่าการทำงานถูกต้อง

การประยุกต์ใช้การสังเคราะห์ PLL

เครื่องสังเคราะห์เสียง PLL ทั้งสองประเภทนี้มักถูกนำไปใช้งานในหลากหลายรูปแบบ คุณสมบัติที่แตกต่างกันทำให้เครื่องเหล่านี้สามารถนำไปประยุกต์ใช้งานที่แตกต่างกันเล็กน้อยและออกแบบ RF ที่แตกต่างกัน ถึงแม้ว่าเครื่องสังเคราะห์เสียงทั้งสองประเภทนี้มักจะทำงานร่วมกันในเครื่องสังเคราะห์เสียงแบบมัลติลูปก็ตาม

เครื่องสังเคราะห์ PLL แบบดิจิทัล:  เครื่องสังเคราะห์ PLL แบบดิจิทัลเป็นประเภทที่พบมากที่สุด สามารถให้สัญญาณออสซิลเลเตอร์ที่ให้เอาต์พุตที่เสถียรมากสำหรับใช้เป็นออสซิลเลเตอร์ท้องถิ่นในวิทยุ แหล่งกำเนิดสัญญาณในเครื่องกำเนิดสัญญาณ ฯลฯ เครื่องสังเคราะห์ PLL จะให้เอาต์พุตที่ความถี่ที่คั่นด้วยความยาวคลื่นที่กำหนดโดยความถี่เปรียบเทียบเฟส เหมาะอย่างยิ่งสำหรับกรณีที่ต้องการการแบ่งช่องสัญญาณ เช่น วิทยุกระจายเสียงที่ช่องสัญญาณต่างๆ ถูกคั่นด้วยหมายเลขที่กำหนดไว้ การสื่อสารวิทยุ VHF UHF ที่มีช่องสัญญาณแยกต่างหาก รวมถึงการสื่อสารผ่านโทรศัพท์มือถือ Wi-Fi และแอปพลิเคชันอื่นๆ อีกมากมายที่มีช่องสัญญาณที่กำหนดไว้เช่นกัน

เมื่อจำเป็นต้องจูนอย่างต่อเนื่อง วิทยุอาจมีตัวเลือกสำหรับจูนแบบเพิ่มทีละน้อย อย่างไรก็ตาม สำหรับความยาวคลื่นที่สั้นมากและความถี่สูง เครื่องสังเคราะห์ความถี่ประเภทนี้มีข้อจำกัดเนื่องจากอัตราส่วนการแบ่งที่สูงมาก

เครื่องสังเคราะห์ PLL แบบอะนาล็อก:  ลูปการสังเคราะห์ PLL แบบอะนาล็อกมีแนวโน้มที่จะใช้เป็นลูปชิฟต์ซึ่งไบแอสที่ให้มาโดยสัญญาณจะผสมเข้าไปในลูปแหล่งจ่าย

สามารถใช้ร่วมกับออสซิลเลเตอร์แบบฟรีรันนิ่งความถี่ค่อนข้างต่ำ เพื่อให้สามารถแปลงค่าความแปรผันของออสซิลเลเตอร์เป็นความถี่ที่สูงขึ้นได้มาก วิธีนี้จะช่วยผสานความเสถียรของออสซิลเลเตอร์ความถี่ต่ำเข้ากับความสามารถในการรับความถี่สูงที่ลูปสังเคราะห์มอบให้

อีกทางเลือกหนึ่งคือสามารถใช้ร่วมกับลูปสังเคราะห์ดิจิทัล เพื่อให้ลูปดิจิทัลทำงานที่ความถี่ต่ำกว่ามาก ลดอัตราส่วนการแบ่งที่จำเป็นและเพิ่มประสิทธิภาพการทำงาน ลูปอะนาล็อกสามารถแปลงความถี่ขึ้นเป็นช่วงความถี่สูงที่ต้องการได้

จะเห็นได้ว่าเครื่องสังเคราะห์ PLL ทั้งสองประเภทมีคุณลักษณะเฉพาะของตัวเองที่สามารถนำไปใช้กับการออกแบบวงจร RF ที่แตกต่างกันได้อย่างมีประสิทธิภาพ

เครื่องสังเคราะห์เสียง PLL แบบอนาล็อกและดิจิทัลมีการใช้งานที่แตกต่างกัน แต่ทั้งสองแบบก็สามารถให้ประสิทธิภาพสูงมาก

นอกจากนี้ ยังสามารถสร้างเครื่องสังเคราะห์ RF แบบหลายลูปได้อีกด้วย ซึ่งเครื่องสังเคราะห์ RF แบบหลายลูปเหล่านี้ให้ความยืดหยุ่นและประสิทธิภาพโดยรวมที่สูงกว่า แม้ว่าการออกแบบจะต้องดำเนินการอย่างรอบคอบก็ตาม บางครั้งอาจใช้ลูปสังเคราะห์ทั้งแบบอะนาล็อกและดิจิทัลร่วมกันได้