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Alors, quelles sont les différences entre les PLL analogiques et les PLL numériques basées sur DDS, et comment le concepteur devrait-il choisir la meilleure option?

Une PLL numérique implémente les blocs de construction PLL traditionnels en utilisant la logique numérique. Bien qu'il existe de nombreuses façons d'implémenter une PLL numérique, l'accent est mis ici sur les architectures de PLL numériques basées sur DDS.

Par exemple, un diviseur de référence, qui réduit la fréquence du signal entrant avant qu'il ne passe au détecteur de phase, est identique à celui d'un PLL analogique.

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Le paramètre de diviseur de référence joue un rôle clé dans le comportement de la PLL. Si le concepteur doit utiliser un grand diviseur de référence et une fréquence de détection de phase faible pour générer la sortie souhaitée, la largeur de bande maximale de la boucle sera limitée.

Dans une PLL analogique, le détecteur de phase génère des impulsions de courant pompe-montée / descente, dont la durée est proportionnelle à la différence de phase entre le signal de référence et le signal de retour. Dans une PLL numérique, cependant, la sortie du détecteur de phase est un nombre numérique proportionnel à la différence de temps entre les fronts du signal de référence entrant et le signal de retour. Ces mots numériques sont envoyés au filtre de boucle numérique, qui filtre la sortie du détecteur de phase. Les paramètres de filtre de boucle étant des coefficients numériques, ils peuvent cependant être facilement modifiés. Et contrairement à une PLL analogique, il n’ya pas de limite pratique à leur taille. De plus, le détecteur de phase numérique ne souffre pas de bruit thermique, de vieillissement ou de dérive, ni de disparité ou de fuite de la pompe de charge.

Le filtre de reconstruction est un composant important non trouvé sur une PLL analogique. Ce filtre passe-bas élimine le contenu de fréquence au-dessus de la fréquence de sortie fondamentale, ne laissant que l'onde sinusoïdale souhaitée. Un filtre passe-bas du cinquième ou du septième ordre est commun, en fonction des exigences de filtrage et de la proximité de la fréquence de sortie par rapport à la fréquence de Nyquist. Cette onde sinusoïdale peut ensuite être introduite dans un tampon de sortance pour produire une sortie d'horloge à onde carrée.

Une fois que nous avons compris les blocs de composants utilisés dans une PLL numérique, nous pouvons commencer à réaliser certains de ses avantages.
Premier démarrage, la PLL numérique excelle dans les applications de traduction de fréquence. Par exemple, pour convertir la fréquence d'horloge réseau courante de 19, 44 MHz en 156, 25 MHz, il est nécessaire de diviser le signal entrant en 1944 et d'activer le détecteur de phase à 10 kHz. Afin de maintenir la stabilité de la boucle, la largeur de bande maximale de la boucle PLL est généralement limitée à environ 1/10 de la fréquence du détecteur de phase, ou 1 kHz dans ce cas.

Les PLL à N fractionnaire peuvent aider en maintenant la fréquence du détecteur de phase élevée, mais posent également des problèmes.
Dans une PLL analogique, les largeurs de bande à faible boucle requièrent des composants de filtre de boucle encombrants, qui non seulement occupent de l'espace sur la carte, mais conduisent à l'auto-résonance et à la microphonie lorsque des condensateurs en céramique sont utilisés.

La PLL numérique peut également avoir un éperon de référence en raison d'étapes finies de correction de phase, mais cet éperon peut être supprimé plus facilement, car le filtre de boucle numérique facilite la mise en oeuvre de très petites largeurs de bande (inférieures à 1Hz). Plus important encore, comme les caractéristiques de la boucle sont déterminées par des coefficients numériques, la dynamique de la boucle est beaucoup plus contrôlée que dans une PLL analogique.

Les paramètres de boucle pouvant être programmés dans une PLL numérique, l'utilisateur peut conserver la même fonction de transfert de boucle dans diverses conditions. Le filtre de boucle peut être optimisé pour une bande passante de boucle constante et une marge de phase dans les deux cas. Plus important encore, les paramètres de boucle peuvent être ajustés en programmant simplement des registres au lieu de changer de composant.

Une PLL numérique basée sur DDS présente l'avantage d'une horloge système DAC haute vitesse pour la surveillance de référence. Cette horloge peut être utilisée pour suréchantillonner les entrées de référence et permet de détecter une dérive ou une défaillance de l'horloge de référence. Une fois qu'une défaillance est détectée, l'appareil peut soit commuter automatiquement les entrées, soit passer en mode de sauvegarde. La stabilité de l'horloge de sortie en mode d'attente est la même que la stabilité de l'horloge système.

La présence d'éperons DAC est un inconvénient potentiel pour les PLL numériques. Un filtre de reconstruction passe-bas est très efficace pour les éliminer. Bien qu'il soit possible d'avoir des éperons DAC d'ordre supérieur à la fréquence de sortie souhaitée ou en dessous de celle-ci, ces éperons ont souvent une amplitude beaucoup plus faible (inférieure à 70 dBc). Si la fréquence de sortie est proche du taux de Nyquist du CNA, le concepteur doit veiller à choisir une fréquence d'horloge système de sorte que les éperons d'ordre inférieur ne soient pas proches de la fréquence de sortie souhaitée, ce qui leur permet d'être efficacement filtrés.

Le choix de l'horloge système DAC correcte est une considération importante lors de l'utilisation d'une PLL numérique. Dans les applications les plus exigeantes, un oscillateur haute fréquence peut être utilisé pour fournir directement l’horloge système DAC de 800 MHz à 1 000 MHz. Cependant, peu d'applications exigent leurs performances.

De nombreuses PLL numériques disposent d'un multiplicateur d'horloge PLL analogique qui produit des nombres de bruit de phase acceptables pour de nombreuses applications. Dans ces cas, le concepteur peut piloter la PLL d’horloge système DAC avec un cristal commun de 16 MHz ou 25 MHz, ou avec des oscillateurs à quartz de la plage allant de 16 MHz à 100 MHz, permettant ainsi à la PLL intégrée de générer une horloge système à 1 GHz. Dans ce cas, le bruit de la PLL intégrée est le principal contributeur à la gigue de sortie.

Pour surmonter les limitations de la conception d'une PLL, il est possible de combiner une PLL numérique suivie d'une PLL analogique. La PLL numérique peut gérer la commutation d’horloge et les rapports de fréquence difficiles, tandis que l’analogique peut être utilisée pour atténuer davantage les éperons, se multiplier à des fréquences plus élevées et effectuer la distribution d’horloge.