Un detector de fase o comparador de fase es un mezclador de frecuencia , multiplicador analógico o 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 bucle de bloqueo de fase (PLL). La detección de la diferencia de fase es importante en otras aplicaciones, como control de motores , sistemas de radar y telecomunicaciones , servomecanismos y demoduladores .
Los detectores de fase para circuitos de bucle bloqueado en fase se pueden clasificar en dos tipos. [1] Un detector Tipo I está diseñado para ser controlado por señales analógicas o señales digitales de onda cuadrada y produce un pulso de salida a la diferencia de frecuencia. El detector Tipo I siempre produce una forma de onda de salida, que debe filtrarse para controlar el oscilador controlado por voltaje (VCO) de bucle de bloqueo de fase. Un detector de tipo II es sensible sólo a la sincronización relativa de los flancos de los pulsos de entrada y de referencia y produce una salida constante proporcional a la diferencia de fase cuando ambas señales tienen la misma frecuencia. Esta salida tenderá a no producir ondulaciones 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 sinusoides 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 tan analógico es difícil. Afortunadamente, el cálculo se puede simplificar utilizando algunas aproximaciones.
Supongamos que las diferencias de fase serán pequeñas (mucho menos de 1 radian, por ejemplo). La aproximación de ángulo pequeño para la función seno y la fórmula de suma de ángulos sinusoidales 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 pueden formarse con redes de desplazamiento de fase. Dos implementaciones comunes de multiplicadores son el mezclador de diodos doblemente equilibrado, 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 único 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 un mezclador (por ejemplo, un mezclador doble balanceado basado en un diodo Schottky ) proporciona "lo último en rendimiento de ruido de fase" y "en sensibilidad del sistema". ya que no crea anchos de pulso finitos en la salida del detector de fase. [2] Otra ventaja de un PD basado en mezclador es su relativa simplicidad. [2] Tanto el detector de fase de cuadratura como el 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 su entrada en el detector para eliminar la dependencia de la amplitud.
Se puede fabricar un detector de fase adecuado para señales de onda cuadrada a partir de una puerta lógica OR exclusiva (XOR) . Cuando las dos señales que se comparan están completamente en fase, la salida de la puerta XOR tendrá un nivel constante de cero. Cuando las dos señales difieren en fase en 1°, la salida de la puerta XOR será alta durante 1/180 de cada ciclo, la fracción de un ciclo durante el cual las dos señales difieren en valor. Cuando las señales difieren 180° (es decir, una señal es alta cuando la otra está baja y viceversa), la salida de la puerta 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 porque 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 puerta 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 a las del mezclador analógico en cuanto a rango de captura, tiempo de bloqueo, referencia espuria 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 formado 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 mayor precisión cuando solo hay pequeñas diferencias de fase entre las dos señales que se comparan y un rango de captación superior .
Un detector de frecuencia de fase ( PFD ) es un circuito asíncrono originalmente hecho de cuatro flip-flops (es decir, los detectores de frecuencia de fase que se encuentran en los circuitos integrados RCA CD4046 y Motorola MC4344 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, el bloqueo se puede lograr incluso cuando está fuera de frecuencia.
El PFD mejora el rango de activación y el tiempo de bloqueo en comparación con diseños de detectores de fase más simples, como multiplicadores o compuertas XOR. Esos diseños funcionan bien cuando las dos fases de entrada ya están casi enclavadas o enclavadas, 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 es grande), entonces el signo de la ganancia del bucle puede invertirse y comenzar a alejar el VCO del bloqueo. El PFD tiene la ventaja de producir una salida incluso cuando las dos señales que se comparan difieren no sólo en fase sino también en frecuencia. Un detector de frecuencia de fase evita una condición de bloqueo falso 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 siempre debe tener 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 lograr un 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 utilizando una configuración de detector de frecuencia de fase de tres estados (usando sólo dos flip-flops ) en lugar de las configuraciones originales de cuatro flip-flops de RCA/Motorola, este problema podía superarse elegantemente. [ cita necesaria ] Para otros tipos de detectores de frecuencia de fase, existen otras soluciones, aunque posiblemente menos elegantes, para el fenómeno de la zona muerta. [3] Se necesitan otras soluciones ya que el detector de frecuencia de fase de tres estados no funciona para ciertas aplicaciones que involucran degradación aleatoria de la señal, 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 en proporción al error de fase detectado. Algunos tienen bandas muertas y otros no. Específicamente, 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 exhiben una banda muerta y normalmente tienen una fluctuación mínima de pico a pico más baja cuando se usan en PLL.
En aplicaciones PLL, con frecuencia se requiere saber cuándo el bucle está desbloqueado. Los detectores digitales de frecuencia de fase más complejos suelen tener una salida que permite una indicación fiable de una condición de desbloqueo.
Algunas técnicas de procesamiento de señales, como las utilizadas en el radar, pueden requerir tanto la amplitud como la fase de una señal, para recuperar toda la información codificada en esa señal. Una técnica consiste en alimentar una señal de amplitud limitada a un puerto de un detector de producto y una señal de referencia al 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 . Para la luz pulsada ( modulada en amplitud ), se dice que mide 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 amplía y en los bordes la forma depende en gran medida de la fase.
