Схема ЧФД описана во многих печатных работах, например [2, 4]. Здесь, с помощью рисунка 2.1, рассмотрим лишь основные принципы её действия как базовой модели.

Рис. 2.1. Схема ЧФД с накачкой заряда

Цифровая часть схемы ЧФД содержит два D-триггера, Т1 и Т2, тактируемых соответственно импульсами c опорной Fr и сигнальной Fс частотами, и ячейку ИЛИ-НЕ. Электронные ключи Sw1 и Sw2 подсоединяют генераторы тока для заряда емкости C до напряжения +V или —V. При этом R – корректирующий резистор изодромного звена RC. Ячейка ИЛИ-НЕ формирует на своём выходе импульс установки «1» при наличии логических нулей на обоих её входах. Этот импульс подаётся через элемент задержки Delay (о его назначении будет позже) на входы S триггеров и положительным фронтом устанавливает их в состояние «1» на выходах Q триггеров. В этом состоянии каждый из триггеров находится до тех пор, пока на его вход C не поступит импульс, который положительным фронтом перебросит его в то состояние, в котором находится вход D, то есть в «0». После этого каждый из триггеров остается в состоянии «0», независимо от числа входных импульсов, до тех пор, пока на вход S не поступит следующий логический уровень «1». Ключи Sw1 и Sw2 подсоединяют источники тока +V или -V при наличии логического уровня «1» на инверсном выходе соответствующего триггера. На диаграммах эти выходы не показаны; понятно, что они противофазны выходам Q-триггеров.

На рисунке 2.2 показаны временные диаграммы, поясняющие работу ЧФД. Они соответствуют различным соотношениям частот и фаз входных импульсных последовательностей.

Рис.2.2. Временные диаграммы, поясняющие работу ЧФД

При равенстве частот входных импульсных последовательностей показаны разные случаи соотношения их фаз. На временном интервале «А» фаза импульсов с частотой Fc опережает фазу опорных импульсов с частотой Fr, а на интервале «Б» фаза импульсов с частотой Fc отстаёт от фазы опорных импульсов. Случай равенств фаз импульсных последовательностей изображен на интервале «В». Для случая неравенства частот в примере, когда Fc больше Fr, наглядно видно, что подключение нужного источника тока тоже определяется временным (фазовым) расположением текущих импульсов входных последовательностей. Таким образом, ЧФД работает в трёх основных состояниях: 1) к выходу подключается источник +V, 2) к выходу подключается источник -V и 3) оба ключа Sw1 и Sw2 разомкнуты.

Идеализированная статическая характеристика ЧФД показана на рисунке 2.3. Как видно из рисунка, крутизна характеристики детектирования равна S=V/ (2).

Рис.2.3. Идеализированная характеристика детектирования ЧФД

При частотной ошибке в петле ФАПЧ ЧФД работает как частотный детектор с прямоугольной (релейной) характеристикой, благодаря чему и обеспечивается полоса захвата, практически равная полосе удержания системы ФАПЧ.

Однако такой детектор имеет недостаток, известный под термином «мёртвой» зоны [5]. Суть этого явления связана с тем, что в момент синхронизма, то есть при равенстве входных колебаний по частоте и фазе, на управляющих входах ключей схемы накачки заряда действуют очень короткие импульсы. Фронты этих импульсов, при достаточно высокой частоте сравнения, составляют существенную долю длительности импульсов, и потому от этих импульсов схема не срабатывает. Поэтому при включении ЧФД в петлю ФАПЧ она оказывается в неопределённом, квазиразомкнутом состоянии, и рабочая точка ЧФД флуктуирует вокруг нулевого значения фазы, что приводит к значительному повышению уровня шума на выходе ФАПЧ. Фактическая характеристика фазового детектирования приобретает вид, показанный на рисунке 2.4.

Рис.2.4. Реальная характеристика детектирования ЧФД

При этом предполагается, что ключи срабатывают, когда передний фронт импульсов достигает половины его полной величины τ Из этого условия следует ширина мёртвой зоны:

Мёртвая зона=2πτ/T,

где T – период опорных импульсов.

Для устранения мёртвой зоны включают элемент задержки (Delay на рисунке 2.1). Благодаря этому, достигается удачное «сшивание» положительной и отрицательной ветвей характеристики детектирования. Как правило, задержка программируется и подбирается в пределах от 1,5 до 6 нс [6]. Однако подбор задержки дело довольно-таки тонкое. При недостаточной величине задержки мёртвая зона не устраняется полностью, и система ФАПЧ в центре характеристики ЧФД оказывается разомкнутой, из-за чего не подавляются собственные шумы ГУН. При избыточной задержке мёртвая зона отсутствует, но при этом источники тока работают одновременно, что приводит к увеличению шумов самого ЧФД, а также к возрастанию потребляемого тока.

Следует отметить, что существует множество модификаций цифровой части схемы ЧФД (то, что находится до ключей Sw1 и Sw2), приведенных, например, в работе [4], однако принцип и результат их действия мало отличаются от описанных выше.