Блокировка впрыска - Injection locking

Инъекции замок и впрыск потянув являются частотными эффектами , которые могут возникнуть , когда гармонический осциллятор нарушаются вторым рабочим генератор на близлежащую частоте. Когда связь достаточно сильная и частоты достаточно близки, второй генератор может захватывать первый генератор, заставляя его иметь практически такую ​​же частоту, что и второй. Это блокировка впрыска. Когда второй осциллятор просто нарушает первый, но не улавливает его, эффект называется вытягиванием. Эффекты запирания и затягивания впрыска наблюдаются во многих типах физических систем, однако эти термины чаще всего связаны с электронными генераторами или лазерными резонаторами .

Блокировка инжекции использовалась полезными и умными способами при разработке первых телевизоров и осциллографов , позволяя синхронизировать оборудование с внешними сигналами при относительно низких затратах. Блокировка впрыска также использовалась в схемах удвоения частоты с высокими характеристиками. Однако блокировка и вытягивание впрыска, когда они непреднамерены, могут ухудшить характеристики контуров фазовой автоподстройки частоты и ВЧ интегральных схем .

Инъекция дедовских часов в лазеры

Вытягивание и блокировка впрыска можно наблюдать во многих физических системах, где пары осцилляторов связаны вместе. Возможно, первым, кто задокументировал эти эффекты, был Христиан Гюйгенс , изобретатель маятниковых часов , который был удивлен, заметив, что два маятниковых часа, которые обычно показывают немного разное время, тем не менее, стали идеально синхронизированы, когда они подвешены к общей балке. Современные исследователи подтвердили его подозрение, что маятники были связаны крошечными возвратно-поступательными колебаниями в деревянной балке. Два тактовых генератора стали синхронизироваться с общей частотой инжекции.

Генератор LC с перекрестной связью и выходом наверху

В современном генераторе, управляемом напряжением, сигнал блокировки инжекции может перекрывать его низкочастотное управляющее напряжение, что приводит к потере управления. При намеренном использовании синхронизация инжекции позволяет значительно снизить энергопотребление и, возможно, уменьшить фазовый шум по сравнению с другими методами проектирования синтезаторов частот и ФАПЧ . Аналогичным образом частотный выход больших лазеров может быть очищен путем инжекционной блокировки их с помощью высокоточных эталонных лазеров (см. Инжекторную сеялку ).

Генератор с синхронизацией впрыска

Инъекции автоподстройки генератора ( МОТ ), как правило , основаны на кросс-связанных LC осциллятора . Он использовался для частотного разделения или уменьшения джиттера в системе ФАПЧ с вводом чисто синусоидальной формы волны. Он использовался в непрерывном режиме тактовой частоты и восстановления данных (CDR) или восстановления тактовой частоты для восстановления тактовой частоты с помощью любой из предшествующих схем генерации импульсов для преобразования данных с невозвратным возвратом к нулю (NRZ) в псевдовозврат к нулю. (PRZ) или неидеальная схема восстановления синхронизации, находящаяся на стороне передатчика для ввода синхросигнала в данные. В конце 2000-х годов МОТ использовала схему восстановления тактовой частоты в импульсном режиме.

Способность к блокировке впрыска является неотъемлемым свойством всех генераторов (электронных или иных). Эту возможность можно в основном понимать как комбинированный эффект периодичности генератора с его автономностью. В частности, рассмотрим периодическую инжекцию (т. Е. Внешнее возмущение), которое увеличивает или отстает фазу осциллятора на некоторый фазовый сдвиг в каждом цикле колебаний. Из-за периодичности генератора этот фазовый сдвиг будет одинаковым от цикла к циклу, если генератор синхронизирован с инжекцией. Более того, из-за автономности генератора каждый фазовый сдвиг сохраняется бесконечно. Комбинация этих двух эффектов дает фиксированный сдвиг фазы на цикл колебаний, что приводит к постоянному сдвигу частоты во времени. Если результирующая сдвинутая частота колебаний совпадает с частотой впрыска, говорят, что генератор заблокирован впрыском. Однако, если максимального частотного сдвига, который генератор может испытывать из-за инжекции, недостаточно, чтобы вызвать совпадение частот генерации и инжекции (т. Е. Частота инжекции находится вне диапазона захвата ), генератор может быть задействован только инжекцией (см. Инъекционное вытягивание ).

Блокировка нежелательного впрыска

Высокоскоростные логические сигналы и их гармоники являются потенциальной угрозой для генератора. Утечка этих и других высокочастотных сигналов в генератор через подложку, сопровождающаяся непреднамеренной блокировкой, является нежелательной блокировкой инжекции.

Прирост за счет блокировки впрыска

Блокировка впрыска также может обеспечить получение прибыли при низких затратах энергии в определенных приложениях.

Инъекционное вытягивание

Инъекционное затягивание (также известное как частота) происходит, когда источник мешающей частоты нарушает работу генератора, но не может его синхронизировать. Как видно на спектрограмме, частота генератора подтягивается к источнику частоты. Отказ блокировки может быть из-за недостаточной связи или из-за того, что частота источника инжекции находится за пределами окна блокировки (также известного как диапазон захвата) генератора. Инжекционное вытягивание в корне нарушает внутреннюю периодичность осциллятора.

Спектрограмма вышеупомянутого аудио

Увлечение

Смещение использовалось для обозначения процесса синхронизации мод связанных управляемых генераторов, который представляет собой процесс, при котором две взаимодействующие колебательные системы, которые имеют разные периоды, когда они функционируют независимо, принимают общий период. Два осциллятора могут синхронизироваться , но возможны и другие соотношения фаз. Система с большей частотой замедляется, а другая ускоряется.

Голландский физик Христиан Гюйгенс , изобретатель маятниковых часов , представил эту концепцию после того, как в 1666 году заметил, что маятники двух часов, установленных на общей плате, синхронизированы, и последующие эксперименты дублировали это явление. Он описал этот эффект как « странную симпатию ». Два маятниковых часа, синхронизированные с их маятниками, раскачивающимися в противоположных направлениях, на 180 ° не совпадают по фазе , но могут возникать и синфазные состояния. Увлечение происходит из-за того, что между двумя системами передается небольшое количество энергии, когда они не совпадают по фазе, так что возникает отрицательная обратная 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 вызывает симпатические колебания .

Исследование наблюдений Гюйгенса в 2002 году показало, что устойчивое колебание в противофазе было несколько случайным, и что есть другие возможные устойчивые решения, включая «состояние смерти», когда часы останавливаются, в зависимости от силы связи между часами.

Синхронизацию мод между управляемыми генераторами можно легко продемонстрировать с помощью механических метрономов на общей, легко перемещаемой поверхности. Такая синхронизация мод важна для многих биологических систем, включая правильную работу кардиостимуляторов .

Использование слова «увлечение» в современной литературе по физике чаще всего относится к перемещению одной жидкости или скопления частиц другой (см. « Увлечение (гидродинамика)» ). Использование этого слова для обозначения синхронизации мод нелинейных связанных генераторов появляется в основном примерно после 1980 года и остается относительно редким в сравнении.

Подобное явление сцепления было характерно для слуховых аппаратов при использовании адаптивного подавления обратной связи . Этот хаотический артефакт (увлечение) наблюдается, когда коррелированные входные сигналы подаются на адаптивный компенсатор обратной связи.

В последние годы апериодическое увлечение было идентифицировано как альтернативная форма увлечения, представляющая интерес для биологических ритмов.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ http://phys.org/news/2016-03-huygens-pendulum-synchronization.html - Исследователи доказывают, что Гюйгенс был прав в отношении синхронизации маятника.
  2. ^ Tiebout, М. (2004). «Топология КМОП-генератора с синхронизацией с прямым впрыском в качестве высокочастотного маломощного делителя частоты». Журнал IEEE по твердотельным схемам . Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE). 39 (7): 1170–1174. Bibcode : 2004IJSSC..39.1170T . DOI : 10,1109 / jssc.2004.829937 . ISSN  0018-9200 .
  3. ^ Де Матос, М .; Bégueret, JB .; Lapuyade, H .; Belot, D .; Escotte, L .; Деваль, Ю. (2005). Внешний вид приемника SiGe 0,25 мкм для приложений 5 ГГц . SBMO / IEEE MTT-S Международная конференция по микроволновой и оптоэлектронике. Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE). С. 213–217. DOI : 10.1109 / imoc.2005.1579980 . ISBN 0-7803-9341-4.
  4. ^ Gabara, Т. (1999). КМОП-инжектор 0,25 мкм заблокировал тактовую частоту 5,6 Гбит / с и ячейку восстановления данных . Симпозиум по проектированию интегральных схем и систем. С. 84–87. DOI : 10,1109 / SBCCI.1999.802973 .
  5. ^ Ли, Дж .; Лю М. (2007). Схема CDR пакетного режима со скоростью 20 Гбит / с, использующая метод блокировки с инжекцией . Международная конференция по твердотельным схемам (ISSCC). Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE). С. 46–47. DOI : 10.1109 / ISSCC.2007.373580 .
  6. ^ Hong, B .; Хадзимири, А. (2019). «Общая теория фиксации и затягивания впрыска в электрических осцилляторах - Часть I: Синхронное по времени моделирование и проектирование формы волны впрыска». Журнал IEEE по твердотельным схемам . Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE). 54 (8): 2109–2121. DOI : 10.1109 / JSSC.2019.2908753 .
  7. ^ Беннетт, Мэтью; Schatz, Майкл Ф .; Роквуд, Хайди; Визенфельд, Курт (2002-03-08). «Часы Гюйгенса». Труды Лондонского королевского общества. Серия A: Математические, физические и технические науки . Королевское общество. 458 (2019): 563–579. Bibcode : 2002RSPSA.458..563. . DOI : 10.1098 / rspa.2001.0888 . ISSN  1364-5021 .
  8. ^ Панталеоне, Джеймс (2002). «Синхронизация метрономов». Американский журнал физики . Американская ассоциация учителей физики (AAPT). 70 (10): 992–1000. Bibcode : 2002AmJPh..70..992P . DOI : 10.1119 / 1.1501118 . ISSN  0002-9505 .
  9. ↑ Смотрите синхронизацию 32 метрономов CBS News, 10 сентября 2013 г.
  10. ^ Эрментроут, Великобритания; Ринзель, Дж. (1984-01-01). «За пределами увлечения кардиостимулятора: фаза прохождения». Американский журнал физиологии. Регуляторная, интегративная и сравнительная физиология . Американское физиологическое общество. 246 (1): R102 – R106. DOI : 10,1152 / ajpregu.1984.246.1.r102 . ISSN  0363-6119 . PMID  6696096 .
  11. ^ Mainen, Z .; Сейновски, Т. (1995-06-09). «Надежность спайков в нейронах неокортекса». Наука . Американская ассоциация развития науки (AAAS). 268 (5216): 1503–1506. Bibcode : 1995Sci ... 268.1503M . DOI : 10.1126 / science.7770778 . ISSN  0036-8075 . PMID  7770778 .
  12. ^ Мори, Тошио; Кай, Шоичи (10 мая 2002 г.). «Индуцированное шумом увлечение и стохастический резонанс в волнах человеческого мозга». Письма с физическим обзором . Американское физическое общество (APS). 88 (21): 218101. Bibcode : 2002PhRvL..88u8101M . DOI : 10.1103 / physrevlett.88.218101 . ISSN  0031-9007 . PMID  12059504 .
  13. ^ Буцин, Николай С .; Хохендонер, Филипп; Огл, Кертис Т .; Хилл, Пол; Мазер, Уильям Х. (12 ноября 2015 г.). «Поход к необычному барабану: захват синтетических генных осцилляторов шумным стимулом». Синтетическая биология ACS . Американское химическое общество (ACS). 5 (2): 146–153. DOI : 10.1021 / acssynbio.5b00127 . ISSN  2161-5063 . PMID  26524465 .
  • Избежание увлечения фильтра с помощью алгоритма преобразования частотной области [1]
  • Избегание увлечения с помощью стабилизации полюса [2]
  • Избежание вовлечения с помощью алгоритма преобразования домена [3]
  • Избежание вовлечения с авторегрессивным фильтром [4]

дальнейшее чтение

* Волавер, Дэн Х. 1991. Проектирование схемы с фазовой синхронизацией , Prentice Hall, ISBN  0-13-662743-9 , страницы 95–105.

  • Адлер, Роберт (июнь 1946 г.). «Исследование запирающих явлений в осцилляторах». Труды ИРЭ . 34 (6): 351–357. DOI : 10.1109 / JRPROC.1946.229930 .
  • Курокава, К. (октябрь 1973 г.). «Инжекционная синхронизация твердотельных генераторов СВЧ». Труды IEEE . 61 (10): 1386–1410. DOI : 10,1109 / PROC.1973.9293 .

* Ли, Томас Х. 2004. Проект КМОП радиочастотных интегральных схем , Кембридж, ISBN  0-521-83539-9 , страницы 563–566.

Внешние ссылки