6.6: Detector de fase

Figura\(\PageIndex{1}\): Un detector de fase: (a) diagrama de bloques; (b) un detector de fase digital que usa una puerta XOR; y (c) detector de fase analógico que usa un multiplicador y filtrado (no mostrado).

Un detector de fase, también llamado comparador de fase, compara dos formas de onda y la salida del detector de fase es una representación de la diferencia de fase de las señales. Existen dos tipos básicos de detectores de fase: detectores de fase sinusoidales y detectores de fase de señal cuadrada, que operan ya sea en modo binario o detectando cruces por cero. El diagrama de bloques de un detector de fase se muestra en la Figura\(\PageIndex{1}\) (a) con la salida\(y(t)\) relacionada con la diferencia de la fase de las señales de entrada\(x(t)\) y\(w(t)\).

Un detector de onda cuadrada se basa en un circuito lógico que produce una señal que es promediada (o integrada) a lo largo del tiempo. Un ejemplo es la puerta XOR mostrada en la Figura\(\PageIndex{1}\) (b), que compara dos señales digitales que aquí tienen la misma frecuencia pero están desplazadas en fase. La salida de la puerta XOR,\(y(t)\), es también un tren de pulsos, y el valor promedio de\(y(t)\) es proporcional a la diferencia de fase de\(x(t)\) y\(w(t)\). Este valor promedio se puede obtener pasando a\(y(t)\) través de un filtro de paso bajo para obtener un valor de CC. Si\(x(t)\) y\(w(t)\) tienen frecuencias diferentes pero cercanas, la salida del filtro de paso bajo será una señal que varía lentamente. Este circuito podría usarse para detectar la diferencia de fase de las señales analógicas, pero las señales primero deben convertirse en señales digitales. Esto se puede obtener a través de la amplificación de saturación de las señales o mediante circuitos que responden a cruces por cero y producen una señal binaria. Otros comparadores de fase digitales se pueden realizar usando bombas de carga, biestables y circuitos de muestreo y retención.

Los detectores de fase sinusoidales pueden usar un mezclador o un multiplicador analógico, como se muestra en la Figura\(\PageIndex{1}\) (c). Las entradas podrían ser dos sinusoides con una de ellas ajustada en fase ya sea externamente o dentro del propio detector. Así que considera que las entradas al detector de fase son

\[\label{eq:1}x(t)=A_{x}\sin(\omega_{x}t+\phi_{x})\quad\text{and}\quad w(t)=A_{w}\cos(\omega_{w}t+\phi_{w}) \]

Entonces la salida del multiplicador es

\[\begin{align}y(t)&=A_{x}\sin(\omega_{x}t+\phi_{x})A_{w}\cos(\omega_{w}t+\phi_{w})\nonumber \\ \label{eq:2}&=\frac{1}{2}A_{x}A_{w}[\sin(\omega_{x}t+\omega_{w}t+\phi_{x}+\phi_{w})+\sin(\omega_{x}t-\omega_{w}t+\phi_{x}-\phi_{w})]\end{align} \]

Por lo general, las frecuencias de las dos señales de entrada están cercanas de manera que\(\omega_{x} = \omega +\frac{1}{2}\Delta\omega\) y\(\omega_{w} =\omega −\frac{1}{2}\Delta\omega\), donde\(\Delta\omega\) es pequeño y en la mayoría de las aplicaciones de detector de fase\(\Delta\omega = 0\) o un bucle de retroalimentación\(\Delta\omega\) intenta establecer en cero, por lo que hay poco error de frecuencia. Entonces, siguiendo el filtrado de paso bajo, la salida de

Figura\(\PageIndex{2}\): Multiplicadores de frecuencia.

el detector de fase es

\[\label{eq:3}y(t)=\frac{1}{2}A_{x}A_{w}\sin(\Delta\omega t+\phi_{x}-\phi_{w}) \]

Ahora se\(\Delta\omega t\) puede considerar como un error de fase e incorporado en fases efectivas de las señales de entrada,\(\psi_{x}(t) = \frac{1}{2}\Delta\omega t+\phi_{x}\) y\(\psi_{w}(t) = −\frac{1}{2}\Delta\omega t + \phi_{w}\). Entonces

\[\label{eq:4}y(t)=\frac{1}{2}A_{x}A_{w}\sin[\psi_{x}(t)-\psi_{w}(t)] \]

Este es un detector de fase funcional siempre que la diferencia en las fases de las señales de entrada esté entre\(−\pi /2\) y\(\pi /2\).

Una variación del detector sinusoidal se denomina detector de fase-frecuencia (PFD) que tiene un rango extendido y la diferencia de fase efectiva de las señales de entrada puede tener una magnitud mayor que\(\pi /2\) [31, 32].

La señal de salida,\(y(t)\), es proporcional a las amplitudes de las señales de entrada y a su diferencia de fase. En la práctica, las amplitudes de ambas señales de entrada se escalan a una amplitud constante de manera que la salida solo depende de la diferencia de fase.

Cuando se usa un mezclador en un detector de fase, opera de la misma manera que un multiplicador. Con un mezclador de conmutación una de las señales de entrada se convierte en el accionamiento de la parte de conmutación del mezclador y la otra señal es la unidad sinusoidal. Ahora solo se necesita escalar la segunda entrada para tener una amplitud constante.