Рассмотренные выше типы фазовых детекторов страдают тем недостатком, что на выходе каждого из них, наряду с полезным сигналом E (φ) фазового рассогласования, присутствуют нежелательные компоненты довольно высокого уровня с частотами, равными и кратными частоте сравнения. Для их снижения до допустимого уровня на выходе ФД используют фильтры нижних частот с высокими требованиями по подавлению в полосе задерживания. Это может привести к существенному ухудшению динамических характеристик синтезатора, снижению эффективности подавления собственных шумов элементов системы ФАПЧ. Отмеченный недостаток в значительной мере устраняется в схеме импульсно-фазового детектора (ИФД) типа «выборка-хранение» [4]. Принцип действия такого устройства можно рассмотреть на примере схемы, показанной на рисунке 1.6.
Рис.1.6. Схема ИФД (А) и его характеристика детектирования (Б)
Она была описана в литературе в середине прошлого столетия. За давностью лет установить точное её авторство не представляется возможным, можно лишь предполагать, что оно принадлежит Несвижскому Ю. Б..
Схема имеет два входа: импульсный и аналоговый. На первый из них поступают, например, как показано на рисунке, импульсы Vоп от источника опорной частоты, а на второй – сигнал Vгун от подстраиваемого автогенератора ГУН. Но, в принципе, может быть и наоборот: сигнал ГУН импульсный, а опорный – аналоговый. Форма аналогового сигнала может быть синусоидальной, пилообразной, треугольной или любой другой в зависимости от желаемого вида характеристики детектирования, который повторяет форму этого сигнала. В примере, показанном на рисунке 1.6, аналоговый сигнал— пилообразный.
В соответствии с представленным рисунком, на время действия импульса, поступающего на диоды Д1-Д4 через трансформатор Тр, диоды открыты, и через них ёмкость C1 заряжается до уровня, оказавшегося в этот момент на аналоговом входе. Одновременно подзаряжается и ёмкость Cсм, благодаря чему создаётся напряжение смещения для запирания диодов на время между импульсами, чтобы ёмкость C1 не могла разрядиться до прихода следующего импульса. За время между импульсами ёмкость Cсм частично разряжается через резистор R, чтобы снизить напряжение, запирающее диоды, и чтобы новый импульс смог успешно преодолеть этот «барьер». Форма характеристики детектирования, как было сказано выше, повторяет форму напряжения на аналоговом входе, и в данном примере она пилообразная в пределах Не требует доказательств утверждение, что при достаточно коротком импульсе выборки и хорошей «памяти» (достаточно большой постоянной времени разряда ёмкости C1) уровень гармоник частоты сравнения на выходе ИФД намного ниже, чем в вариантах ФД, рассмотренных здесь ранее.
Понятно, что с повышением рабочей частоты детектора, надо сокращать длительность импульса выборки и, соответственно, уменьшать ёмкость C1, чтобы она успевала зарядиться за время действия импульса. Вместе с тем с повышением частоты характеристики диодов в качестве ключей ухудшаются. Ёмкость C1 быстрее разряжается (теряет полученный заряд) на источник аналогового сигнала через плохо закрытые диоды или же через те же диоды получает дополнительный избыточный заряд от этого источника. И то и другое приводит к увеличению пульсаций на выходе ИФД. Для снижения их уровня можно использовать схему двухкаскадного ИФД [5].
Суть двухкаскадного ИФД состоит в следующем. В первом его каскаде, где действуют короткие импульсы выборки, используются диоды с не очень высокими ключевыми свойствами, но зато как можно с большим быстродействием. Ёмкость С1 на выходе выбирается достаточно малой по причине, описанной выше. Второй каскад построен по той же схеме, и его аналоговый вход через элемент развязки, например эмиттерный повторитель, подключен к ёмкости С1. Каскад работает от более широких импульсов, благодаря чему требования к быстродействию диодов снижаются, и за счёт этого можно обеспечить высокое отношение их проводимостей в открытом и закрытом состояниях. Ёмкость С2 на выходе берётся значительно большей чем C1. Широкие импульсы во втором каскаде сдвинуты по времени на величину длительности узких импульсов в первом каскаде.
Работа такой схемы иллюстрируется рисунком 1.7, где на нумерованных диаграммах показано: 1 – напряжение на аналоговом входе первого каскада; 2 – узкие импульсы выборки в первом каскаде; 3 – напряжение на малой ёмкости C1 в первом каскаде с пульсациями за счёт подзаряда и разряда ёмкости (представлено упрощённо); 4 – более широкие импульсы выборки во втором каскаде, сдвинутые во времени относительно импульсов в первом каскаде на ширину узких импульсов; 5 – напряжение на большей ёмкости C2 второго каскада со значительно меньшими пульсациями, чем в первом каскаде.
Рис.1.7. К пояснению работы двухкаскадного ИФД
По окончании короткого импульса ёмкость С1 отключается от первого каскада, широким импульсом напряжение с неё переносится на ёмкость C2. В итоге «память» улучшается, уровень пульсаций снижается.
В данном случае рассматривалась схема с диодными ключами. С развитием полупроводниковой технологии появились специальные микросхемы управляемых ключей, упрощающие построение ИФД. Например, они не требуют использования трансформатора, ухудшающего динамику ИФД. Однако, приведенные выше общие соображения применимы также и к таким вариантам схем ИФД.
Недостаток обоих этих вариантов детектора состоит в возможности ложных захватов в системе ФАПЧ. Представим, для примера, что нужно умножить частоту F0 в M=3 раза, то есть получить f0=3F0. При благополучном решении этой задачи, то есть при захвате частоты ГУН на третьей гармонике опорной частоты, ИФД выдаёт постоянное управляющее напряжение. Но если частота ГУН окажется, к примеру, вблизи частоты 2,5 F0, то напряжение e (φ) на выходе ИФД примет вид, показанный на рисунке 1.8. Это прямоугольные импульсы (меандр) с частотой в 2 раза ниже опорной. После их фильтрации выделяется постоянная составляющая E (φ), которая, благодаря действию ФАПЧ, приведёт к ложному захвату частоты, равной f0=2,5F0, вместо желаемой f0=3F0.
Рис.1.8. Напряжение на выходе ИФД при соотношении частот, равном 2,5
Для наглядности был приведен простой пример малого коэффициента умножения M=3. В этом случае частота возможного ложного захвата довольно далеко отстоит от нужной гармоники, и потому проблему нетрудно решить путём грубой предварительной установки частоты ГУН, например, с помощью ЦАП. Но с увеличением M количество подобных ситуаций возрастает, причём частоты ложных захватов приближаются к требуемой гармонике. Тогда может потребоваться дополнительная схема предварительной автоматической настройки ГУН до того, как включится ФАПЧ с ИФД. Если же в качестве ГУН используется высокоточный кварцевый генератор, то предварительная его подстройка может не потребоваться.