위상 검출기

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위상 검출기 또는 위상 비교기는 두 신호 입력 사이의 위상 차이를 나타내는 신호를 생성하는 주파수 믹서, 아날로그 승수 또는 로직 회로이다.

위상 검출기는 위상 잠금 루프(PL)의 필수 요소다. 모터 제어, 레이더 및 통신 시스템, 서보 메커니즘 및 디모듈레이터와 같은 다른 애플리케이션에서는 위상 차이를 탐지하는 것이 중요하다.

종류들

위상 잠금 루프 회로에 대한 위상 검출기는 두 가지 유형으로 분류할 수 있다.^[1] I형 검출기는 아날로그 신호나 사각파 디지털 신호에 의해 구동되도록 설계되었으며 차이 주파수에서 출력 펄스를 생성한다. Type I 디텍터는 항상 출력 파형을 생성하며, 위상 잠금 루프 전압 제어 오실레이터(VCO)를 제어하기 위해 필터링해야 한다. 타입 II 검출기는 입력 및 기준 펄스의 에지의 상대적 타이밍에만 민감하며, 두 신호가 동일한 주파수에 있을 때 위상차에 비례하는 일정한 출력을 생성한다. 이 출력은 VCO의 제어 전압에 리플을 발생시키지 않는 경향이 있다.

아날로그 위상 검출기

위상 검출기는 두 입력 신호의 위상 차이를 계산해야 한다. α를 첫 번째 입력의 위상이 되게 하고 β를 두 번째 입력의 위상이 되게 한다. 그러나 위상 검출기에 대한 실제 입력 신호는 α와 β가 아니라 sin(α)과 cos(β)와 같은 사인파이다. 일반적으로 위상차이를 계산하는 것은 (계속 증가하는 위상을 얻기 위해) 각 정규화된 입력의 아크사인과 아크코사인을 계산하고 뺄셈을 하는 것을 포함한다. 그런 아날로그 계산은 어렵다. 다행히도, 근사치를 사용함으로써 계산이 단순화될 수 있다.

위상 차이가 작다고 가정한다(예를 들어 1라디안보다 훨씬 작다). 사인 함수와 사인 각도 추가 공식 수율에 대한 소각 근사치:

$\displaystyle \cos \cos \cos \cos \cos \cos \cos \cos \cos \cos \cos \cos \cos \}$

이 표현은 2개의 곱셈기의 출력을 합산하여 4차 위상 검출기를 만들 수 있음을 시사한다. 2차 신호는 위상 편이 네트워크로 형성될 수 있다. 승수를 위한 두 가지 일반적인 구현은 이중 균형 다이오드 믹서, 다이오드 링과 4 사분원 승수인 길버트 셀이다.

두 개의 승수를 사용하는 대신 보다 일반적인 위상 검출기는 단일 승수와 다른 삼각계 정격을 사용한다.

${\displaystyle \sin \coses \coses \coses ={\sin(\sin(\sin(\csin(\csin+\csin)) \over 2}\company {\sin(\csin(\csin) \csin(\csin) \csin) \copen) \copencopen) \copencopencops$

첫 번째 항은 원하는 위상 차이를 제공한다. 두 번째 항은 기준 주파수의 두 배인 사인파이므로 걸러낼 수 있다. 일반 파형의 경우 위상 검출기 출력은 위상 검출기 특성으로 설명된다.

혼합기 기반 검출기(예: 쇼트키 다이오드 기반 이중 균형 혼합기)는 위상 검출기 출력에서 유한 펄스 폭을 생성하지 않기 때문에 "최종 위상 소음 바닥 성능" 및 "시스템 감도"를 제공한다.^[2] 믹서 기반 PD의 또 다른 장점은 상대적인 단순함이다.^[2] 2차 검출기와 단순 곱셈 위상 검출기 모두 위상차뿐만 아니라 입력 진폭에 따라 달라지는 출력이 있다. 실제로 입력 신호의 입력 진폭은 검출기에 입력하기 전에 정규화하여 진폭 의존성을 제거한다.

디지털 위상 검출기

사각파 신호에 적합한 위상 검출기는 전용 OR(XOR) 로직 게이트에서 만들 수 있다. 비교 중인 두 신호가 완전히 위상일 때 XOR 게이트의 출력은 일정한 레벨이 0이 된다. 두 신호가 위상에서 1°씩 차이가 날 때 XOR 게이트의 출력은 각 사이클의 1/180분의 1 동안 높을 것이다. 즉, 두 신호가 값이 다른 사이클의 비율이다. 신호가 180°(즉, 다른 신호가 낮을 때 한 신호가 하이)인 경우, 그리고 그 반대로 XOR 게이트의 출력은 각 사이클 동안 하이 상태로 유지된다. 이 위상 검출기에는 대칭 사각파 또는 거의 같은 입력이 필요하다.

XOR 검출기는 90° 위상 차이에 가깝게 잠기고 기준 주파수의 두 배에서 펄스파 출력을 갖는다는 점에서 아날로그 믹서와 잘 비교된다. 출력은 위상 차이에 비례하여 듀티 사이클을 변경한다. XOR 게이트의 출력을 저역 통과 필터에 적용하면 두 신호 사이의 위상 차이에 비례하는 아날로그 전압이 발생한다. 나머지 특성은 캡처 범위, 잠금 시간, 참조 가상 및 로우패스 필터 요건용 아날로그 믹서와 매우 유사하다.

디지털 위상 감지기는 또한 샘플 및 홀드 회로, 충전 펌프 또는 플립플롭으로 구성된 논리 회로를 기반으로 할 수 있다. 로직 게이트에 기반한 위상 검출기를 PL에 사용할 경우 입력 신호의 주파수가 VCO의 초기 주파수와는 상당히 다른 경우에도 VCO가 입력 신호와 동기화되도록 빠르게 강제할 수 있다. 이러한 위상 검출기는 비교 중인 두 신호와 우수한 당김 범위 사이에 위상 차이가 작을 때 정확도가 더 우수하다는 등 다른 바람직한 특성도 가지고 있다.

위상 주파수 검출기

위상 주파수 검출기(PFD)는 원래 4개의 플립플롭으로 만들어진 비동기 회로(즉, 1970년대에 도입된 RCA CD4046과 모토로라 MC4344 IC에서 모두 발견된 위상 주파수 검출기)이다. 이 논리는 두 신호 중 어느 신호가 제로 크로스를 더 일찍 또는 더 자주 갖는지를 결정한다. PL 어플리케이션에서 사용할 경우, 주파수가 꺼진 상태에서도 잠금을 달성할 수 있다.

PFD는 멀티피어 또는 XOR 게이트와 같은 단순한 위상 검출기 설계에 비해 풀인 범위와 잠금 시간을 개선한다. 이러한 설계는 두 입력 단계가 이미 잠기거나 잠기면 잘 작동하지만 위상 차이가 너무 클 때는 제대로 작동하지 않는다. 위상 차이가 너무 크면(즉시 주파수 차이가 클 때 발생함) 루프 게인 기호가 역전되어 VCO를 잠금으로부터 멀어지게 할 수 있다. PFD는 비교 중인 두 신호가 위상뿐 아니라 주파수에서도 출력을 낼 수 있는 장점이 있다. 위상 주파수 검출기는 PLL이 입력 신호의 잘못된 위상 또는 잘못된 주파수(예: 입력 신호의 고조파)와 동기화하는 PLL 응용 프로그램의 거짓 잠금 상태를 방지한다.^[3]

뱅뱅 충전 펌프 위상 주파수 검출기는 양극 또는 음극 중 고정된 총 충전으로 전류 펄스를 통합자 역할을 하는 캐패시터에 공급한다. 뱅뱅 충전 펌프를 위한 위상 검출기에는 총체적인 영향을 주지 않기 위해 검출기가 충전 펌프를 둘 중 하나 또는 둘 다 발사하지 않을 정도로 입력 단계가 충분히 가까운 데드 밴드가 항상 있어야 한다. 뱅뱅 위상 검출기는 단순하지만 데드 밴드 내의 드리프트 때문에 상당한 최소 피크 대 피크 지터와 연관된다.

1976년에는 원래의 RCA/Motorola 4개의 플립플롭스 구성 대신 3개 상태 위상 주파수 검출기 구성(두 개의 플립플롭만 사용)을 사용함으로써 이 문제를 우아하게 극복할 수 있음을 보여주었다.^{[citation needed]} 다른 유형의 위상 주파수 검출기의 경우, 비록 덜 특이할 수 있지만, 데드존 현상에 대한 해결책이 존재한다.^[3] 3 상태 위상 주파수 검출기는 일부 신호 재생 시스템의 입력(예: 클럭 복구 설계)에서 찾을 수 있는 무작위화된 신호 저하를 수반하는 특정 응용 프로그램에는 작동하지 않으므로 다른 해결책이 필요하다.^[4]

비례 위상 검출기는 검출된 위상 오류에 비례하여 충전량을 공급하는 충전 펌프를 사용한다. 몇몇은 죽은 밴드를 가지고 있고 몇몇은 그렇지 않다. 특히 일부 설계에서는 위상 차이가 0인 경우에도 위/아래 제어 펄스를 모두 생성한다. 이러한 펄스는 작고 명목상 동일한 지속시간이며, 위상이 완벽하게 일치할 때 충전 펌프가 양전하 및 음전하 전류 펄스를 생성하게 한다. 이러한 종류의 제어 시스템을 사용하는 위상 검출기는 비활성 대역을 나타내지 않으며 일반적으로 PL에 사용할 때 최소 피크 대 피크 지터가 낮다.

PL 애플리케이션에서는 루프가 잠금 해제된 시점을 알아야 하는 경우가 많다. 더 복잡한 디지털 위상 주파수 검출기는 일반적으로 잠금 해제 상태를 신뢰성 있게 나타낼 수 있는 출력을 가지고 있다.

전자상검출기

레이더에 사용되는 것과 같은 일부 신호 처리 기법은 해당 신호에 인코딩된 모든 정보를 복구하기 위해 신호의 진폭과 위상 모두를 필요로 할 수 있다. 한 기법은 진폭 제한 신호를 제품 검출기의 한 포트에, 기준 신호를 다른 포트에 공급하는 것이다. 검출기의 출력은 신호 사이의 위상 차이를 나타낸다.

광상 검출기

광학 위상 검출기는 간섭계라고도 한다. 펄스(진폭 변조) 광의 경우 캐리어 사이의 위상을 측정한다고 한다. 또한 비선형 결정에서 교차 상관에 의해 두 개의 짧은 광학 펄스의 봉투 사이의 지연을 측정할 수도 있다. 그리고 비선형 결정으로 펄스를 보내 광학적 펄스의 전달체와 외피 사이의 위상을 측정할 수 있다. 스펙트럼이 넓어지고 가장자리에서는 형상이 위상에 따라 크게 달라진다.

참고 항목

• 캐리어 회수
• 차동 증폭기

참조

• Crawford, James A. (1994), Frequency Synthesizer Design Handbook, Artech House, ISBN 0-89006-440-7
• Wolaver, Dan H. (1991), Phase-Locked Loop Circuit Design, Prentice Hall, ISBN 0-13-662743-9
• Devon Fernandez and Sanjeev Manandhar (8 December 2003). "Digital Phase Locked Loop" (PDF). Retrieved 2006-04-25. {{cite journal}}: Cite 저널은 필요로 한다. journal= (도움말)
• Zilic, Zeljko (2001-08-17). "Phase- and Delay-Locked Loop Clock Control in Digital Systems". TechOnLine. Archived from the original on 2006-05-15. Retrieved 2006-04-25.
• Mike Curtin and Paul O'Brien (July–August 1999). "Phase Locked Loops for High-Frequency Receivers and Transmitters-3". Analog Dialogue. Analog Devices. Retrieved 2006-04-25.

추가 읽기

• Egan, William F. (2000), Frequency Synthesis by Phase-lock (2nd ed.), John Wiley & Sons, ISBN 0-471-32104-4

외부 링크

• 8장 변조기 및 감압기
• MAX9382 Wayback Machine에서 2009-02-08 아카이빙된 MAX9382를 사용한 Phase-Lock 루프 애플리케이션
• 위상 잠금 루프 위상 검출기