Блокировка впрыска

Блокировка впрыска и затягивание впрыска — это частотные эффекты, которые могут возникнуть, когда гармонический генератор возмущается вторым генератором, работающим на соседней частоте. Когда связь достаточно сильная и частоты достаточно близки, второй генератор может захватить первый генератор, в результате чего его частота будет практически идентична частоте второго генератора. Это блокировка впрыска. Когда второй осциллятор просто возмущает первый, но не захватывает его, эффект называется вытягиванием инжекции. Эффекты блокировки и вытягивания инжекции наблюдаются во многих типах физических систем, однако эти термины чаще всего связаны с электронными генераторами или лазерными резонаторами .

Блокировка впрыска использовалась полезным и умным способом в конструкции первых телевизоров и осциллографов , позволяя синхронизировать оборудование с внешними сигналами при относительно низких затратах. Блокировка впрыска также использовалась в высокопроизводительных схемах удвоения частоты. Однако непреднамеренная инжекционная блокировка и вытягивание могут ухудшить работу систем фазовой автоподстройки частоты и радиочастотных интегральных схем .

Инъекция от дедушкиных часов до лазеров

Вытягивание и блокировку впрыска можно наблюдать во многих физических системах, где пары осцилляторов связаны вместе. Вероятно, первым, кто задокументировал эти эффекты, был Христиан Гюйгенс , изобретатель маятниковых часов , который с удивлением заметил, что двое маятниковых часов, которые обычно показывали немного разное время, тем не менее, стали идеально синхронизированными, когда их подвешивали на общей балке. Современные исследователи подтвердили его подозрения , что маятники были связаны крошечными вибрациями вперед и назад в деревянной балке. ^[1] Два тактовых генератора синхронизировались с общей частотой.

В современном генераторе, управляемом напряжением, сигнал синхронизации может подавлять его низкочастотное управляющее напряжение, что приводит к потере управления. При намеренном использовании синхронизация с инжекцией обеспечивает возможность значительно снизить энергопотребление и, возможно, уменьшить фазовый шум по сравнению с другими методами проектирования синтезаторов частот и ФАПЧ . Аналогичным образом, выходная частота больших лазеров может быть очищена путем инжекционной синхронизации с высокоточными эталонными лазерами (см. Инжекционная сеялка ).

Генератор с синхронизацией по впрыску

Генератор с синхронизацией по инжекции ( ILO ) обычно основан на LC- генераторе с перекрестной связью . Он использовался для разделения частот. ^[2] или уменьшение джиттера в системе ФАПЧ с вводом чистого синусоидального сигнала. Он использовался в непрерывном режиме восстановления тактового сигнала и данных (CDR) или восстановления тактового сигнала для восстановления тактового сигнала с помощью любой из предшествующих схем генерации импульсов для преобразования данных без возврата в ноль (NRZ) в псевдовозврат к нулю. (ПРЗ) формат ^[3] или неидеальная схема синхронизации, расположенная на стороне передатчика для объединения тактового сигнала с данными. ^[4] В конце 2000-х годов ILO использовалась для схемы восстановления тактовой частоты в пакетном режиме. ^[5]

Способность синхронизации является неотъемлемым свойством всех генераторов (электронных или других). Фундаментально эту способность можно понимать как совокупный эффект периодичности осциллятора и его автономности. В частности, рассмотрим периодическое воздействие (т. е. внешнее возмущение), которое опережает или отстает от фазы осциллятора на некоторый сдвиг фазы в каждом цикле колебаний. Из-за периодичности генератора этот фазовый сдвиг будет одинаковым от цикла к циклу, если генератор синхронизирован с инжекцией. Более того, благодаря автономности генератора каждый фазовый сдвиг сохраняется неопределенно долго. Сочетание этих двух эффектов приводит к фиксированному сдвигу фазы на каждый цикл колебаний, что приводит к постоянному сдвигу частоты с течением времени. Если результирующая сдвинутая частота колебаний совпадает с частотой инжекции, говорят, что генератор синхронизирован с инжекцией. Однако если максимальный сдвиг частоты, который может испытать генератор из-за инжекции, недостаточен для того, чтобы частоты колебаний и инжекции совпали (т. е. частота инжекции лежит за пределами диапазон блокировки ), генератор может быть только подтянут (см. Подтягивание ). ^[6]

Нежелательная блокировка впрыска

Высокоскоростные логические сигналы и их гармоники представляют потенциальную угрозу для генератора. Утечка этих и других высокочастотных сигналов в генератор через подложку, сопровождающаяся непреднамеренной блокировкой, представляет собой нежелательную инжекционную блокировку.

Выигрыш за счет блокировки впрыска

Блокировка впрыска также может обеспечить выигрыш при низких затратах энергии в некоторых приложениях.

Инъекционная вытяжка

«Запирание и вытягивание инъекции»

Впрыскивание и блокировка слышны попеременно, когда один генератор из двух разверток по частоте

Проблемы с воспроизведением этого файла? См. справку для СМИ .

Инжекционное (также известное как частотное) затягивание происходит, когда источник мешающей частоты возмущает генератор, но не может его заблокировать. Частота генератора притягивается к источнику частоты, как видно на спектрограмме. Невозможность синхронизации может быть вызвана недостаточной связью или тем, что частота источника инжекции находится за пределами окна блокировки (также известного как диапазон синхронизации) генератора. Вытягивание впрыска фундаментально нарушает внутреннюю периодичность генератора.

Увлечение

Смещение использовалось для обозначения процесса синхронизации мод связанных генераторов, который представляет собой процесс, при котором две взаимодействующие колебательные системы, имеющие разные периоды, когда они функционируют независимо, принимают общий период. Два осциллятора могут синхронизироваться , но возможны и другие фазовые соотношения. 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, синхронизировались, и последующие эксперименты повторили это явление. Он описал этот эффект как « странную симпатию ». Два маятниковых часа синхронизированы, их маятники качаются в противоположных направлениях, сдвинуто по фазе на 180 ° , но могут также возникнуть синфазные состояния. Унос происходит потому, что небольшие количества энергии передаются между двумя системами, когда они не совпадают по фазе, таким образом, что возникает отрицательная обратная связь . Поскольку они предполагают более стабильное соотношение фаз, количество энергии постепенно снижается до нуля. В области физики наблюдения Гюйгенса связаны с резонансом и резонансной связью гармонических осцилляторов , которая также порождает симпатические колебания .

Исследование наблюдений Гюйгенса в 2002 году показывает, что противофазное стабильное колебание было в некоторой степени случайным и что существуют другие возможные стабильные решения, включая «состояние смерти», когда часы перестают идти, в зависимости от силы связи между часами. ^[7]

Синхронизацию мод между управляемыми генераторами можно легко продемонстрировать с помощью механических метрономов на общей, легко перемещаемой поверхности. ^[8]^[9]^[10] Такая синхронизация режимов важна для многих биологических систем, включая правильную работу кардиостимуляторов . ^[11]

Использование слова «унос» в современной физической литературе чаще всего относится к движению одной жидкости или совокупности частиц другой (см. « Унос (гидродинамика)» ). Использование этого слова для обозначения синхронизации мод нелинейно связанных генераторов появилось в основном примерно после 1980 года и по сравнению с этим остается относительно редким.

Аналогичное явление связи было характерно для слуховых аппаратов , когда адаптивное подавление обратной связи используется . Этот хаотический артефакт (увлечение) наблюдается, когда коррелированные входные сигналы подаются на адаптивный подавитель обратной связи.

В последние годы апериодическое увлечение было идентифицировано как альтернативная форма уноса, представляющая интерес для биологических ритмов. ^[12]^[13]^[14]

См. также

Ссылки

^ http://phys.org/news/2016-03-huygens-pendulum-synchronization.html - Исследователи доказывают, что Гюйгенс был прав насчет синхронизации маятника.
^ Тибу, М. (2004). «Топология КМОП-генератора с прямой инжекцией и синхронизацией в виде высокочастотного маломощного делителя частоты». Журнал IEEE твердотельных схем . 39 (7). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 1170–1174. Бибкод : 2004IJSSC..39.1170T . дои : 10.1109/jssc.2004.829937 . ISSN 0018-9200 . S2CID 31382407 .
^ Де Матос, М.; Бегере, Ж.Б.; Лапуяде, Х.; Белот, Д.; Эскотт, Л.; Деваль, Ю. (2005). Входной каскад SiGe-приемника 0,25 мкм для приложений 5 ГГц . Международная конференция SBMO/IEEE MTT-S по микроволновой и оптоэлектронике. Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE). стр. 213–217. дои : 10.1109/imoc.2005.1579980 . ISBN 0-7803-9341-4 .
^ Габара, Т. (1999). Внедрение CMOS 0,25 мкм обеспечивает тактовую частоту 5,6 Гбит/с и ячейку восстановления данных . Симпозиум по проектированию интегральных схем и систем. стр. 84–87. дои : 10.1109/SBCCI.1999.802973 .
^ Ли, Дж.; Лю, М. (2007). Схема CDR пакетного режима 20 Гбит/с с использованием метода блокировки с инжекцией . Международная конференция по твердотельным схемам (ISSCC). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE). стр. 46–47. дои : 10.1109/ISSCC.2007.373580 .
^ Хонг, Б.; Хаджимири, А. (2019). «Общая теория блокировки и втягивания электрических генераторов - Часть I: Синхронное во времени моделирование и проектирование формы сигнала впрыска». Журнал IEEE твердотельных схем . 54 (8). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 2109–2121. Бибкод : 2019IJSSC..54.2109H . дои : 10.1109/JSSC.2019.2908753 . S2CID 198356617 .
^ Беннетт, Мэтью; Шац, Майкл Ф.; Роквуд, Хайди; Визенфельд, Курт (8 марта 2002 г.). «Часы Гюйгенса». Труды Лондонского королевского общества. Серия А: Математические, физические и технические науки . 458 (2019). Королевское общество: 563–579. Бибкод : 2002RSPSA.458..563. . дои : 10.1098/rspa.2001.0888 . ISSN 1364-5021 . S2CID 6482041 .
^ Панталеоне, Джеймс (2002). «Синхронизация метрономов». Американский журнал физики . 70 (10). Американская ассоциация учителей физики (AAPT): 992–1000. Бибкод : 2002AmJPh..70..992P . дои : 10.1119/1.1501118 . ISSN 0002-9505 .
^ Посмотрите синхронизацию 32 метрономов CBS News, 10 сентября 2013 г.
^ Гольдштейн, Гильермо Х.; Инглиш, Ларс К.; Бехта, Эмма; Искатель, Гилель; Надо, Алиса Н.; Строгац, Стивен Х. (01 апреля 2022 г.). «Спаренные метрономы на движущейся платформе с кулоновским трением» . Хаос: междисциплинарный журнал нелинейной науки . 32 (4): 043119. arXiv : 2201.06161 . Бибкод : 2022Хаос..32d3119G . дои : 10.1063/5.0085216 . ISSN 1054-1500 . ПМИД 35489851 . S2CID 246015335 .
^ Эрментроут, Великобритания; Ринцель, Дж. (1 января 1984 г.). «За пределом увлечения кардиостимулятора: фазовое прохождение». Американский журнал физиологии. Регуляторная, интегративная и сравнительная физиология . 246 (1). Американское физиологическое общество: R102–R106. дои : 10.1152/ajpregu.1984.246.1.r102 . ISSN 0363-6119 . ПМИД 6696096 .
^ Майнен, З.; Сейновский, Т. (9 июня 1995 г.). «Надежность определения времени спайков в нейронах неокортекса». Наука . 268 (5216). Американская ассоциация развития науки (AAAS): 1503–1506. Бибкод : 1995Sci...268.1503M . дои : 10.1126/science.7770778 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 7770778 .
^ Мори, Тосио; Кай, Шоичи (10 мая 2002 г.). «Вызванное шумом увлечение и стохастический резонанс в волнах человеческого мозга». Письма о физических отзывах . 88 (21). Американское физическое общество (APS): 218101. Бибкод : 2002PhRvL..88u8101M . дои : 10.1103/physrevlett.88.218101 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 12059504 .
^ Буцин, Николас С.; Хохендонер, Филип; Огл, Кертис Т.; Хилл, Пол; Мэзер, Уильям Х. (12 ноября 2015 г.). «Идя под необычный барабан: вовлечение синтетических генных осцилляторов шумным стимулом». ACS Синтетическая биология . 5 (2). Американское химическое общество (ACS): 146–153. дои : 10.1021/acsynbio.5b00127 . ISSN 2161-5063 . ПМИД 26524465 .

Предотвращение вовлечения фильтра с помощью алгоритма преобразования частотной области [1] ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
Предотвращение увлечения с помощью стабилизации полюса [2] ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
Предотвращение вовлечения с помощью алгоритма области преобразования [3]
Предотвращение увлечения с помощью авторегрессионного фильтра [4] ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}

Дальнейшее чтение

* Волавер, Дэн Х. 1991. Проектирование схемы фазовой автоподстройки частоты , Прентис Холл, ISBN 0-13-662743-9 , страницы 95–105.

Адлер, Роберт (июнь 1946 г.). «Исследование явлений блокировки в генераторах». Труды ИРЭ . 34 (6): 351–357. дои : 10.1109/JRPROC.1946.229930 . S2CID 51638781 .
Курокава, К. (октябрь 1973 г.). «Инжекционная синхронизация твердотельных генераторов СВЧ». Труды IEEE . 61 (10): 1386–1410. дои : 10.1109/PROC.1973.9293 .

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

Внешние ссылки

[1] ttp://phys.org/news/2016-03-huygens-pendulum-synchronization.html - Исследователи доказывают, что Гюйгенс был прав насчет синхронизации маятника.

[2] Тибу, М. (2004). «Топология КМОП-генератора с прямой инжекцией и синхронизацией в виде высокочастотного маломощного делителя частоты». Журнал IEEE твердотельных схем . 39 (7). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 1170–1174. Бибкод : 2004IJSSC..39.1170T . дои : 10.1109/jssc.2004.829937 . ISSN 0018-9200 . S2CID 31382407 .

[3] Де Матос, М.; Бегере, Ж.Б.; Лапуяде, Х.; Белот, Д.; Эскотт, Л.; Деваль, Ю. (2005). Входной каскад SiGe-приемника 0,25 мкм для приложений 5 ГГц . Международная конференция SBMO/IEEE MTT-S по микроволновой и оптоэлектронике. Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE). стр. 213–217. дои : 10.1109/imoc.2005.1579980 . ISBN 0-7803-9341-4 .

[4] Габара, Т. (1999). Внедрение CMOS 0,25 мкм обеспечивает тактовую частоту 5,6 Гбит/с и ячейку восстановления данных . Симпозиум по проектированию интегральных схем и систем. стр. 84–87. дои : 10.1109/SBCCI.1999.802973 .

[5] Ли, Дж.; Лю, М. (2007). Схема CDR пакетного режима 20 Гбит/с с использованием метода блокировки с инжекцией . Международная конференция по твердотельным схемам (ISSCC). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE). стр. 46–47. дои : 10.1109/ISSCC.2007.373580 .

[6] Хонг, Б.; Хаджимири, А. (2019). «Общая теория блокировки и втягивания электрических генераторов - Часть I: Синхронное во времени моделирование и проектирование формы сигнала впрыска». Журнал IEEE твердотельных схем . 54 (8). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 2109–2121. Бибкод : 2019IJSSC..54.2109H . дои : 10.1109/JSSC.2019.2908753 . S2CID 198356617 .

[7] Беннетт, Мэтью; Шац, Майкл Ф.; Роквуд, Хайди; Визенфельд, Курт (8 марта 2002 г.). «Часы Гюйгенса». Труды Лондонского королевского общества. Серия А: Математические, физические и технические науки . 458 (2019). Королевское общество: 563–579. Бибкод : 2002RSPSA.458..563. . дои : 10.1098/rspa.2001.0888 . ISSN 1364-5021 . S2CID 6482041 .

[8] Панталеоне, Джеймс (2002). «Синхронизация метрономов». Американский журнал физики . 70 (10). Американская ассоциация учителей физики (AAPT): 992–1000. Бибкод : 2002AmJPh..70..992P . дои : 10.1119/1.1501118 . ISSN 0002-9505 .

[9] Посмотрите синхронизацию 32 метрономов CBS News, 10 сентября 2013 г.

[10] Гольдштейн, Гильермо Х.; Инглиш, Ларс К.; Бехта, Эмма; Искатель, Гилель; Надо, Алиса Н.; Строгац, Стивен Х. (01 апреля 2022 г.). «Спаренные метрономы на движущейся платформе с кулоновским трением» . Хаос: междисциплинарный журнал нелинейной науки . 32 (4): 043119. arXiv : 2201.06161 . Бибкод : 2022Хаос..32d3119G . дои : 10.1063/5.0085216 . ISSN 1054-1500 . ПМИД 35489851 . S2CID 246015335 .

[11] Эрментроут, Великобритания; Ринцель, Дж. (1 января 1984 г.). «За пределом увлечения кардиостимулятора: фазовое прохождение». Американский журнал физиологии. Регуляторная, интегративная и сравнительная физиология . 246 (1). Американское физиологическое общество: R102–R106. дои : 10.1152/ajpregu.1984.246.1.r102 . ISSN 0363-6119 . ПМИД 6696096 .

[12] Майнен, З.; Сейновский, Т. (9 июня 1995 г.). «Надежность определения времени спайков в нейронах неокортекса». Наука . 268 (5216). Американская ассоциация развития науки (AAAS): 1503–1506. Бибкод : 1995Sci...268.1503M . дои : 10.1126/science.7770778 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 7770778 .

[13] Мори, Тосио; Кай, Шоичи (10 мая 2002 г.). «Вызванное шумом увлечение и стохастический резонанс в волнах человеческого мозга». Письма о физических отзывах . 88 (21). Американское физическое общество (APS): 218101. Бибкод : 2002PhRvL..88u8101M . дои : 10.1103/physrevlett.88.218101 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 12059504 .

[14] Буцин, Николас С.; Хохендонер, Филип; Огл, Кертис Т.; Хилл, Пол; Мэзер, Уильям Х. (12 ноября 2015 г.). «Идя под необычный барабан: вовлечение синтетических генных осцилляторов шумным стимулом». ACS Синтетическая биология . 5 (2). Американское химическое общество (ACS): 146–153. дои : 10.1021/acsynbio.5b00127 . ISSN 2161-5063 . ПМИД 26524465 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]