Un detector de fase o comparador de fase es un mezclador de frecuencia , un multiplicador analógico o un circuito lógico que genera una señal que representa la diferencia de fase entre dos entradas de señal.
El detector de fase es un elemento esencial del circuito de enganche de fase (PLL). La detección de la diferencia de fase es importante en otras aplicaciones, como el control de motores , los sistemas de radar y telecomunicaciones , los servomecanismos y los demoduladores .
Los detectores de fase para circuitos de bucle de enganche de fase se pueden clasificar en dos tipos. [1] Un detector de tipo I está diseñado para ser accionado por señales analógicas o señales digitales de onda cuadrada y produce un pulso de salida en la frecuencia de diferencia. El detector de tipo I siempre produce una forma de onda de salida, que debe filtrarse para controlar el oscilador controlado por voltaje (VCO) del bucle de enganche de fase. Un detector de tipo II es sensible solo a la sincronización relativa de los bordes de los pulsos de entrada y de referencia y produce una salida constante proporcional a la diferencia de fase cuando ambas señales están en la misma frecuencia. Esta salida tenderá a no producir ondulación en el voltaje de control del VCO.
El detector de fase necesita calcular la diferencia de fase de sus dos señales de entrada. Sea α la fase de la primera entrada y β la fase de la segunda. Sin embargo, las señales de entrada reales al detector de fase no son α y β, sino senoides como sin(α) y cos(β). En general, calcular la diferencia de fase implicaría calcular el arcoseno y el arcocoseno de cada entrada normalizada (para obtener una fase cada vez mayor) y hacer una resta. Un cálculo analógico de este tipo es difícil. Afortunadamente, el cálculo se puede simplificar utilizando algunas aproximaciones.
Supongamos que las diferencias de fase serán pequeñas (mucho menores que 1 radián, por ejemplo). La aproximación de ángulo pequeño para la función seno y la fórmula de adición de ángulos seno dan como resultado:
La expresión sugiere que se puede crear un detector de fase en cuadratura sumando las salidas de dos multiplicadores. Las señales en cuadratura se pueden formar con redes de desplazamiento de fase. Dos implementaciones comunes para multiplicadores son el mezclador de diodos doblemente balanceado, el anillo de diodos y el multiplicador de cuatro cuadrantes, la celda de Gilbert .
En lugar de utilizar dos multiplicadores, un detector de fase más común utiliza un solo multiplicador y una identidad trigonométrica diferente:
El primer término proporciona la diferencia de fase deseada. El segundo término es una sinusoide al doble de la frecuencia de referencia, por lo que se puede filtrar. En el caso de formas de onda generales, la salida del detector de fase se describe con la característica del detector de fase .
Un detector basado en mezclador (por ejemplo, un mezclador doblemente balanceado basado en diodos Schottky ) proporciona "lo último en rendimiento de ruido de fase" y "sensibilidad en el sistema", ya que no crea anchos de pulso finitos en la salida del detector de fase. [2] Otra ventaja de un detector de fase basado en mezclador es su relativa simplicidad. [2] Tanto los detectores de fase de cuadratura como los de multiplicador simple tienen una salida que depende de las amplitudes de entrada, así como de la diferencia de fase. En la práctica, las amplitudes de entrada de las señales de entrada se normalizan antes de la entrada al detector para eliminar la dependencia de la amplitud.
Un detector de fase adecuado para señales de onda cuadrada se puede hacer a partir de una compuerta lógica OR exclusiva (XOR) . Cuando las dos señales que se comparan están completamente en fase, la salida de la compuerta XOR tendrá un nivel constante de cero. Cuando las dos señales difieren en fase en 1°, la salida de la compuerta XOR será alta durante 1/180 de cada ciclo (la fracción de un ciclo durante la cual las dos señales difieren en valor). Cuando las señales difieren en 180° (es decir, una señal es alta cuando la otra es baja, y viceversa), la salida de la compuerta XOR permanece alta durante cada ciclo. Este detector de fase requiere entradas que sean ondas cuadradas simétricas, o casi.
El detector XOR se compara bien con el mezclador analógico en el sentido de que se bloquea cerca de una diferencia de fase de 90° y tiene una salida de onda de pulso al doble de la frecuencia de referencia. La salida cambia el ciclo de trabajo en proporción a la diferencia de fase. La aplicación de la salida de la compuerta XOR a un filtro de paso bajo da como resultado un voltaje analógico que es proporcional a la diferencia de fase entre las dos señales. El resto de sus características son muy similares al mezclador analógico en cuanto a rango de captura, tiempo de bloqueo, espurio de referencia y requisitos de filtro de paso bajo.
Los detectores de fase digitales también pueden basarse en un circuito de muestreo y retención , una bomba de carga o un circuito lógico compuesto por flip-flops . Cuando se utiliza un detector de fase basado en puertas lógicas en un PLL, puede forzar rápidamente al VCO a sincronizarse con una señal de entrada, incluso cuando la frecuencia de la señal de entrada difiere sustancialmente de la frecuencia inicial del VCO. Dichos detectores de fase también tienen otras propiedades deseables, como una mejor precisión cuando solo hay pequeñas diferencias de fase entre las dos señales que se comparan y un rango de activación superior .
Un detector de frecuencia de fase ( PFD ) es un circuito asincrónico compuesto originalmente por cuatro flip-flops (es decir, los detectores de frecuencia de fase que se encuentran tanto en los circuitos integrados RCA CD4046 como en los MC4344 de Motorola introducidos en la década de 1970). La lógica determina cuál de las dos señales tiene un cruce por cero antes o con mayor frecuencia. Cuando se utiliza en una aplicación PLL, se puede lograr el bloqueo incluso cuando está fuera de frecuencia.
El PFD mejora el rango de activación y el tiempo de sincronización con respecto a los diseños de detectores de fase más simples, como los multiplicadores o las puertas XOR. Estos diseños funcionan bien cuando las dos fases de entrada ya están cerca de sincronizarse o sincronizarse, pero funcionan mal cuando la diferencia de fase es demasiado grande. Cuando la diferencia de fase es demasiado grande (lo que sucederá cuando la diferencia de frecuencia instantánea sea grande), entonces el signo de la ganancia de bucle puede invertirse y comenzar a alejar al VCO del bloqueo. El PFD tiene la ventaja de producir una salida incluso cuando las dos señales que se comparan difieren no solo en fase sino también en frecuencia. Un detector de frecuencia de fase evita una condición de sincronización falsa en aplicaciones PLL, en las que el PLL se sincroniza con la fase incorrecta de la señal de entrada o con la frecuencia incorrecta (por ejemplo, un armónico de la señal de entrada). [3]
Un detector de frecuencia de fase de bomba de carga bang-bang suministra pulsos de corriente con carga total fija, ya sea positiva o negativa, al capacitor que actúa como integrador . Un detector de fase para una bomba de carga bang-bang debe tener siempre una banda muerta donde las fases de las entradas estén lo suficientemente cerca como para que el detector active ambas bombas de carga o ninguna, sin efecto total. Los detectores de fase bang-bang son simples pero están asociados con una fluctuación mínima significativa de pico a pico , debido a la deriva dentro de la banda muerta.
En 1976 se demostró que al utilizar una configuración de detector de frecuencia de fase de tres estados (usando solo dos flip-flops ) en lugar de las configuraciones originales de cuatro flip-flops de RCA/Motorola, este problema podría superarse elegantemente. [ cita requerida ] Para otros tipos de detectores de frecuencia de fase existen otras soluciones, aunque posiblemente menos elegantes, para el fenómeno de la zona muerta. [3] Otras soluciones son necesarias ya que el detector de frecuencia de fase de tres estados no funciona para ciertas aplicaciones que involucran degradación de señal aleatoria, que se puede encontrar en las entradas de algunos sistemas de regeneración de señal (por ejemplo, diseños de recuperación de reloj ). [4]
Un detector de fase proporcional emplea una bomba de carga que suministra cantidades de carga proporcionales al error de fase detectado. Algunos tienen bandas muertas y otros no. En concreto, algunos diseños producen pulsos de control tanto ascendentes como descendentes incluso cuando la diferencia de fase es cero. Estos pulsos son pequeños, nominalmente de la misma duración, y hacen que la bomba de carga produzca pulsos de corriente positivos y negativos de carga igual cuando la fase coincide perfectamente. Los detectores de fase con este tipo de sistema de control no presentan una banda muerta y, por lo general, tienen una fluctuación mínima de pico a pico más baja cuando se utilizan en PLL.
En aplicaciones PLL, con frecuencia es necesario saber cuándo el bucle está desconectado. Los detectores de fase-frecuencia digitales más complejos suelen tener una salida que permite una indicación fiable de una condición de desconexión.
Algunas técnicas de procesamiento de señales, como las que se utilizan en los radares, pueden requerir tanto la amplitud como la fase de una señal para recuperar toda la información codificada en esa señal. Una técnica consiste en introducir una señal de amplitud limitada en un puerto de un detector de producto y una señal de referencia en el otro puerto; la salida del detector representará la diferencia de fase entre las señales.
En óptica, los detectores de fase también se conocen como interferómetros . En el caso de la luz pulsada ( modulada en amplitud ), se dice que miden la fase entre las portadoras. También es posible medir el retardo entre las envolventes de dos pulsos ópticos cortos mediante correlación cruzada en un cristal no lineal . Y es posible medir la fase entre la envolvente y la portadora de un pulso óptico , enviando un pulso a un cristal no lineal. Allí, el espectro se hace más amplio y en los bordes la forma depende significativamente de la fase.
