Блокировка инжекции и затягивание инжекции — это частотные эффекты, которые могут возникнуть, когда гармонический осциллятор возмущен вторым осциллятором, работающим на близкой частоте. Когда связь достаточно сильна, а частоты достаточно близки, второй осциллятор может захватить первый осциллятор, заставляя его иметь по существу ту же частоту, что и второй осциллятор. Это блокировка инжекции. Когда второй осциллятор просто возмущает первый, но не захватывает его, эффект называется затягиванием инжекции. Блокировка инжекции и затягивание эффектов наблюдаются во многих типах физических систем, однако эти термины чаще всего связаны с электронными осцилляторами или лазерными резонаторами .
Блокировка инжекции использовалась полезными и умными способами в конструкции ранних телевизоров и осциллографов , позволяя синхронизировать оборудование с внешними сигналами при относительно низкой стоимости. Блокировка инжекции также использовалась в высокопроизводительных схемах удвоения частоты. Однако блокировка инжекции и подтягивание, если они непреднамеренные, могут ухудшить работу контуров фазовой автоподстройки частоты и интегральных схем ВЧ .
Инжекционное вытягивание и инжекционное запирание можно наблюдать в многочисленных физических системах, где пары осцилляторов связаны друг с другом. Возможно, первым, кто задокументировал эти эффекты, был Христиан Гюйгенс , изобретатель маятниковых часов , который с удивлением заметил, что двое маятниковых часов, которые обычно показывают немного разное время, тем не менее, стали идеально синхронизированы, если их повесить на общую балку. Современные исследователи подтвердили его подозрение , что маятники были связаны крошечными возвратно-поступательными колебаниями в деревянной балке. [1] Двое часов стали инжекционно запертыми на общей частоте.
В современном генераторе с управлением напряжением сигнал инжекционной блокировки может переопределить его низкочастотное управляющее напряжение, что приведет к потере управления. При преднамеренном использовании инжекционная блокировка обеспечивает возможность значительного снижения энергопотребления и, возможно, снижения фазового шума по сравнению с другими методами проектирования синтезаторов частот и ФАПЧ . Аналогичным образом выходная частота больших лазеров может быть очищена путем инжекционной блокировки с помощью высокоточных опорных лазеров (см. инжекционная сеялка ).
Генератор с инжекционной синхронизацией ( ILO ) обычно основан на перекрестно связанном LC- генераторе . Он использовался для деления частоты [2] или снижения джиттера в PLL с входом чистой синусоидальной формы волны. Он использовался в непрерывном режиме восстановления тактовой частоты и данных (CDR) или восстановления тактовой частоты для выполнения восстановления тактовой частоты с помощью либо предыдущей схемы генерации импульсов для преобразования данных без возврата к нулю (NRZ) в формат псевдовозврата к нулю (PRZ) [3] , либо неидеальной схемы восстановления синхронизации, находящейся на стороне передатчика для сопряжения тактового сигнала с данными. [4] В конце 2000-х годов ILO использовался для схемы восстановления тактовой частоты в пакетном режиме. [5]
Способность к инжекционной синхронизации является неотъемлемым свойством всех осцилляторов (электронных или иных). Эту способность можно фундаментально понимать как объединенный эффект периодичности осциллятора с его автономностью. В частности, рассмотрим периодическую инжекцию (т. е. внешнее возмущение), которая опережает или отстает от фазы осциллятора на некоторый фазовый сдвиг в каждом цикле колебаний. Из-за периодичности осциллятора этот фазовый сдвиг будет одинаковым от цикла к циклу, если осциллятор инжекционно-синхронизирован. Более того, из-за автономности осциллятора каждый фазовый сдвиг сохраняется неопределенно долго. Объединение этих двух эффектов дает фиксированный фазовый сдвиг за цикл колебаний, что приводит к постоянному сдвигу частоты с течением времени. Если результирующая смещенная частота колебаний совпадает с частотой инжекции, то говорят, что осциллятор инжекционно-синхронизирован. Однако, если максимальный сдвиг частоты, который может испытать осциллятор из-за инжекции, недостаточен для того, чтобы частоты колебаний и инжекции совпали (т. е. частота инжекции лежит за пределами диапазона блокировки ), осциллятор может быть только инжекторно-вытянутым (см. Инжекторное вытягивание). [6]
Высокоскоростные логические сигналы и их гармоники представляют потенциальную угрозу для генератора. Утечка этих и других высокочастотных сигналов в генератор через подложку, сопровождающаяся непреднамеренной блокировкой, является нежелательной блокировкой инжекции.
Блокировка инжекции также может обеспечить выигрыш при низких затратах энергии в некоторых приложениях.
Инжекционное (или частотное) затягивание происходит, когда источник мешающей частоты возмущает осциллятор, но не может заблокировать его инжекцией. Частота осциллятора затягивается к источнику частоты, как можно увидеть на спектрограмме. Невозможность заблокировать может быть вызвана недостаточной связью или тем, что частота источника инжекции лежит за пределами окна блокировки (также известного как диапазон блокировки) осциллятора. Инжекционное затягивание фундаментально искажает присущую осциллятору периодичность.
Термин «захват» использовался для обозначения процесса синхронизации мод связанных управляемых осцилляторов, который представляет собой процесс, при котором две взаимодействующие колебательные системы, имеющие разные периоды, когда они функционируют независимо, принимают общий период. Два осциллятора могут попасть в синхронизм , но возможны и другие фазовые соотношения. Система с большей частотой замедляется, а другая ускоряется.
Голландский физик Христиан Гюйгенс , изобретатель маятниковых часов , ввел эту концепцию после того, как в 1666 году заметил, что маятники двух часов, установленных на общей доске, синхронизировались, и последующие эксперименты повторили это явление. Он описал этот эффект как « странную симпатию ». Двое маятниковых часов синхронизировались с их маятниками, качающимися в противоположных направлениях, на 180° не в фазе , но могут также возникать состояния синфазности. Увлечение происходит из-за того, что небольшие количества энергии передаются между двумя системами, когда они не в фазе таким образом, чтобы производить отрицательную обратную связь . Поскольку они предполагают более стабильное фазовое соотношение, количество энергии постепенно уменьшается до нуля. В области физики наблюдения Гюйгенса связаны с резонансом и резонансной связью гармонических осцилляторов , которая также приводит к возникновению симпатических колебаний .
Исследование наблюдений Гюйгенса, проведенное в 2002 году, показало, что противофазное устойчивое колебание было в некоторой степени случайностью, и что существуют другие возможные устойчивые решения, включая «состояние смерти», когда часы останавливаются, в зависимости от силы связи между часами. [7]
Синхронизацию мод между управляемыми осцилляторами можно легко продемонстрировать с помощью механических метрономов на общей, легко перемещаемой поверхности. [8] [9] [10] Такая синхронизация мод важна для многих биологических систем, включая правильную работу кардиостимуляторов . [11]
Использование слова «увлечение» в современной физической литературе чаще всего относится к движению одной жидкости или совокупности частиц другой (см. Увлечение (гидродинамика) ). Использование этого слова для обозначения синхронизации мод нелинейных связанных осцилляторов появляется в основном после 1980 года и остается сравнительно редким.
Аналогичное явление связи было охарактеризовано в слуховых аппаратах при использовании адаптивного подавления обратной связи . Этот хаотический артефакт (увлечение) наблюдается, когда коррелированные входные сигналы подаются на адаптивный подавитель обратной связи.
В последние годы апериодическое вовлечение было идентифицировано как альтернативная форма вовлечения, представляющая интерес для биологических ритмов. [12] [13] [14]
* Волавер, Дэн Х. 1991. Проектирование схем фазовой автоподстройки частоты , Prentice Hall, ISBN 0-13-662743-9 , страницы 95–105
* Ли, Томас Х. 2004. Проектирование КМОП-радиочастотных интегральных схем , Кембридж, ISBN 0-521-83539-9 , страницы 563–566
