위상 고정 루프

위상 고정 루프(Phase-Locked Loop, PLL, 위상 동기 루프, 위상동기회로)는 전압 제어 발진기의 출력 위상을 기준 신호의 위상과 비교해 그 차이를 줄이도록 되먹임하여, 출력 주파수를 기준 신호에 맞춰 고정하는 회로이다.

개요

발진기의 주파수는 온도·전원·부품 값에 따라 조금씩 흔들린다. 주파수가 매우 안정한 수정 발진기는 주파수를 마음대로 바꿀 수 없고, 주파수를 바꿀 수 있는 전압 제어 발진기(VCO)는 안정도가 낮다. PLL 은 VCO 를 수정 발진기의 기준 신호에 위상으로 묶어 두 장점을 함께 얻는다. 위상이 계속 맞으면 주파수도 같아지므로, 위상을 맞추는 것이 곧 주파수를 맞추는 것이다. 이동통신 단말·방송 수신기의 국부 발진기(주파수 합성기), FM 복조, 디지털 회로의 클록 생성·복원에 쓴다.

구성

블록	하는 일
위상 비교기(phase detector)	기준 신호(f_R)와 되먹임 신호의 위상 차에 비례하는 전압을 낸다. 두 신호의 크기를 비교하는 것이 아니고, 위상이 같을 때만 출력하는 것도 아니다
루프 필터(저역 통과 필터)	위상 비교기 출력의 고주파 성분을 걸러 느리게 변하는 제어 전압으로 만든다. 루프의 응답 속도와 안정도를 정한다
전압 제어 발진기(VCO)	제어 전압에 따라 발진 주파수 f_o 가 바뀐다. 출력 f_o 는 저역 통과 필터에서 나온 전압으로 정해진다
주파수 분주기(÷N)	f_o 를 N 으로 나누어 f_o/N 을 위상 비교기로 되돌린다. 분주기는 주파수를 낮춘다(N 배로 높이지 않는다)
기준 발진기	보통 수정 발진기. 안정한 f_R 을 낸다

동작

기준 신호와 되먹임 신호의 위상이 어긋나면 위상 비교기가 그 차이에 비례한 전압을 낸다
루프 필터가 이 전압을 평탄하게 만들어 VCO 에 준다
VCO 주파수가 바뀌어 위상 차가 줄어든다
위상 차가 일정해지면(고정, lock) 되먹임 신호의 주파수가 기준 주파수와 같아진다

고정 상태에서 위상 비교기의 두 입력 주파수가 같으므로

\frac{f_{o}}{N} = f_{R} \Rightarrow f_{o} = N f_{R}

이다. 분주기가 있으면 출력 f_o 는 기준 주파수 f_R 과 같지 않고 N 배다. N 을 바꾸면 f_R 간격으로 출력 주파수를 고를 수 있는데, 이것이 주파수 합성기다. 예: f_R = 100kHz, N = 1,000 이면 f_o = 100MHz 이고 N 을 1 씩 바꾸면 100kHz 씩 움직인다.

출력의 주파수 안정도는 기준 발진기의 안정도를 따른다. 출력 신호의 순도는 VCO 의 위상 잡음이 작을수록 좋아진다
고정을 유지할 수 있는 입력 주파수 범위를 고정 범위(lock range), 고정되지 않은 상태에서 끌어당겨 고정할 수 있는 범위를 포착 범위(capture range)라 한다. 포착 범위가 고정 범위보다 좁다

FM 복조

수신한 FM 신호를 PLL 의 기준 입력으로 넣으면 VCO 가 입력의 순시 주파수를 따라가야 하므로, VCO 의 제어 전압(루프 필터 출력)이 순시 주파수 변화, 곧 원래 메시지 신호에 비례한다. 그래서 FM 복조기에 PLL 을 쓸 수 있다 → 주파수 변조

같이 보기