قفل الحقن

الموسوعة الحرة

يُعدّ كلٌّ من التزامن والتزامن بالحقن من التأثيرات الترددية التي قد تحدث عندما يتأثر مذبذب توافقي بمذبذب ثانٍ يعمل بتردد قريب. عندما يكون الاقتران قويًا بما يكفي وتكون الترددات متقاربة بدرجة كافية، يستطيع المذبذب الثاني استيعاب المذبذب الأول، مما يجعله يمتلك ترددًا مطابقًا تقريبًا لتردد المذبذب الثاني. يُعرف هذا بالتزامن بالحقن. أما عندما يُؤثر المذبذب الثاني على المذبذب الأول فقط دون استيعابه، فيُسمى هذا التأثير بالتزامن بالحقن. تُلاحظ تأثيرات التزامن والتزامن بالحقن في أنواع عديدة من الأنظمة الفيزيائية، إلا أن هذه المصطلحات ترتبط غالبًا بالمذبذبات الإلكترونية أو رنانات الليزر .

استُخدمت تقنية قفل الحقن بطرقٍ فعّالة ومبتكرة في تصميم أجهزة التلفزيون وأجهزة راسم الإشارة القديمة ، مما سمح بمزامنة هذه الأجهزة مع الإشارات الخارجية بتكلفة منخفضة نسبيًا. كما استُخدمت هذه التقنية في دوائر مضاعفة التردد عالية الأداء. مع ذلك، قد يؤدي استخدام قفل الحقن وسحب الإشارة، عند حدوثه دون قصد، إلى تدهور أداء حلقات قفل الطور ودوائر الترددات الراديوية المتكاملة .

الحقن من ساعات الجد إلى الليزر

يمكن ملاحظة ظاهرة سحب الحقن وقفل الحقن في العديد من الأنظمة الفيزيائية التي تتصل فيها أزواج من المذبذبات. ولعل أول من وثّق هذه الظواهر هو كريستيان هيغنز ، مخترع ساعة البندول ، الذي فوجئ بملاحظة أن ساعتين بندوليتين، كانتا تُظهران عادةً توقيتًا مختلفًا قليلًا، أصبحتا متزامنتين تمامًا عند تعليقهما من عارضة مشتركة. وقد أكد باحثون معاصرون شكوكه بأن البندولين كانا متصلين باهتزازات طفيفة ذهابًا وإيابًا في العارضة الخشبية. [ 1 ] وأصبحت الساعتان متزامنتين بالحقن على تردد مشترك.

مذبذب LC متقاطع التوصيل مع مخرج في الأعلى

في المذبذبات الحديثة التي يتم التحكم فيها بالجهد، قد تتجاوز إشارة التزامن بالحقن جهد التحكم منخفض التردد، مما يؤدي إلى فقدان التحكم. عند استخدامها عمدًا، يوفر التزامن بالحقن وسيلةً لتقليل استهلاك الطاقة بشكل ملحوظ، وربما تقليل ضوضاء الطور ، مقارنةً بتقنيات تصميم مُركِّبات التردد الأخرى وحلقات قفل الطور (PLL) . وبالمثل، يمكن تنقية خرج تردد الليزرات الكبيرة عن طريق تزامنها بالحقن مع ليزرات مرجعية عالية الدقة (انظر مُولِّد التزامن بالحقن ).

مذبذب مقفل بالحقن

يعتمد المذبذب المُقفل بالحقن (ILO) عادةً على مذبذب LC متقاطع الاقتران . وقد استُخدم لتقسيم التردد [ 2 ] أو لتقليل الارتعاش في حلقة قفل الطور (PLL) ، مع إدخال موجة جيبية نقية. كما استُخدم في استعادة الساعة والبيانات (CDR) في الوضع المستمر، أو استعادة الساعة ، وذلك إما بمساعدة دائرة توليد النبضات السابقة لتحويل بيانات عدم العودة إلى الصفر (NRZ) إلى تنسيق شبه العودة إلى الصفر (PRZ) [ 3 ]، أو دائرة إعادة التوقيت غير المثالية الموجودة في جانب المرسل لربط إشارة الساعة بالبيانات [ 4 ] . وفي أواخر العقد الأول من الألفية الثانية، استُخدم المذبذب المُقفل بالحقن (ILO) في مخطط استعادة الساعة في وضع النبضات [ 5 ] .

تُعدّ خاصية التزامن بالحقن خاصيةً جوهريةً لجميع المذبذبات (الإلكترونية وغير الإلكترونية). ويمكن فهم هذه الخاصية أساسًا على أنها التأثير المُجتمَع لدورية المذبذب واستقلاليته. على وجه التحديد، لنفترض وجود حقن دوري (أي اضطراب خارجي) يُقدّم أو يُؤخّر طور المذبذب بمقدار إزاحة طورية معينة في كل دورة تذبذب. نظرًا لدورية المذبذب، ستكون هذه الإزاحة الطورية ثابتة من دورة إلى أخرى إذا كان المذبذب متزامنًا بالحقن. علاوة على ذلك، وبسبب استقلالية المذبذب، تستمر كل إزاحة طورية إلى أجل غير مسمى. ينتج عن الجمع بين هذين التأثيرين إزاحة طورية ثابتة لكل دورة تذبذب، مما يؤدي إلى إزاحة تردد ثابتة بمرور الوقت. إذا تطابق تردد التذبذب الناتج والمُزاح مع تردد الحقن، يُقال إن المذبذب متزامن بالحقن. مع ذلك، إذا لم يكن أقصى انزياح في التردد يمكن أن يتعرض له المذبذب نتيجة الحقن كافيًا لجعل ترددي التذبذب والحقن متطابقين (أي أن تردد الحقن يقع خارج نطاق القفل )، فلا يمكن إلا سحب المذبذب بالحقن (انظر §  سحب الحقن ). [ 6 ]

انغلاق الحقن غير المرغوب فيه

تُشكل إشارات المنطق عالية السرعة وتوافقياتها تهديدات محتملة للمذبذب. ويُعرف تسرب هذه الإشارات وغيرها من الإشارات عالية التردد إلى المذبذب عبر الركيزة، مصحوبًا بقفل غير مقصود، باسم قفل الحقن غير المرغوب فيه.

كسب عن طريق قفل الحقن

يمكن أن يوفر قفل الحقن أيضًا وسيلة للكسب بتكلفة طاقة منخفضة في تطبيقات معينة.

سحب الحقن

يحدث سحب التردد ( أو ما يُعرف بسحب التردد) عندما يُؤثر مصدر تردد مُتداخل على المُذبذب دون أن يتمكن من تثبيته. فينجذب تردد المُذبذب نحو تردد المصدر، كما يظهر في مخطط الطيف. قد يعود عدم التثبيت إلى عدم كفاية الاقتران، أو لأن تردد مصدر الحقن يقع خارج نطاق التثبيت (أو ما يُعرف بنطاق التثبيت) للمُذبذب. يُؤدي سحب التردد إلى تشويه دوريته الأصلية بشكل جذري.

مخطط طيفي للصوت أعلاه

التزامن

يُستخدم مصطلح "التزامن" للإشارة إلى عملية تزامن الأنماط في المذبذبات المُقترنة، وهي العملية التي يتشارك فيها نظامان متذبذبان متفاعلان ، لهما فترات زمنية مختلفة عند عملهما بشكل مستقل، فترة زمنية مشتركة. قد يتزامن النظامان ، ولكن توجد أيضًا علاقات طورية أخرى. النظام ذو التردد الأعلى يتباطأ، بينما يتسارع النظام الآخر.

ابتكر الفيزيائي الهولندي كريستيان هيغنز ، مخترع ساعة البندول ، هذا المفهوم بعد أن لاحظ عام 1666 تزامن بندولي ساعتين مثبتتين على لوحة مشتركة، وقد كررت التجارب اللاحقة هذه الظاهرة. وصف هيغنز هذا التأثير بـ" التوافق الغريب ". تتزامن ساعتا البندول مع تأرجح بندوليهما في اتجاهين متعاكسين، بفارق طور 180 درجة ، ولكن يمكن أن تحدث حالات توافق طور أيضًا. يحدث التزامن نتيجة انتقال كميات ضئيلة من الطاقة بين النظامين عندما يكونان خارج الطور، مما يُنتج تغذية راجعة سالبة . ومع استقرار الطور، تتناقص كمية الطاقة تدريجيًا حتى تصل إلى الصفر. في مجال الفيزياء، ترتبط ملاحظات هيغنز بالرنين والاقتران الرنيني للمذبذبات التوافقية ، والذي يُنتج بدوره اهتزازات توافقية .

أظهرت دراسة أجريت عام 2002 على ملاحظات هيغنز أن التذبذب المستقر ذو الطور المعاكس كان محض صدفة، وأن هناك حلولاً مستقرة أخرى محتملة، بما في ذلك "حالة الموت" حيث تتوقف الساعة عن العمل، وذلك اعتمادًا على قوة الاقتران بين الساعات. [ 7 ]

يمكن إثبات تزامن الأنماط بين المذبذبات المُحفَّزة بسهولة باستخدام أجهزة الميترونوم الميكانيكية على سطح مشترك سهل الحركة. [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] يُعدّ هذا التزامن مهمًا للعديد من الأنظمة البيولوجية، بما في ذلك التشغيل السليم لأجهزة تنظيم ضربات القلب . [ 11 ]

يشير استخدام مصطلح "التزامن" في أدبيات الفيزياء الحديثة في أغلب الأحيان إلى حركة سائل أو مجموعة من الجسيمات بواسطة سائل آخر. أما استخدام المصطلح للإشارة إلى تزامن الأنماط في المذبذبات غير الخطية المقترنة، فقد ظهر بشكل رئيسي بعد عام 1980 تقريبًا، ولا يزال نادرًا نسبيًا بالمقارنة.

لوحظت ظاهرة اقتران مماثلة في أجهزة السمع عند استخدام خاصية إلغاء التغذية الراجعة التكيفية . وتُلاحظ هذه الظاهرة الفوضوية (التزامن) عند تقديم إشارات دخل مترابطة إلى مُلغي التغذية الراجعة التكيفي.

في السنوات الأخيرة، تم تحديد التزامن غير الدوري كشكل بديل للتزامن ذي أهمية في الإيقاعات البيولوجية. [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ http://phys.org/news/2016-03-huygens-pendulum-synchronization.html - باحثون يثبتون صحة نظرية هيغنز حول تزامن البندول
  2. ↑ تيبوت، م. (2004). "طوبولوجيا مذبذب مقفل بالحقن المباشر بتقنية CMOS كمقسم تردد عالي التردد ومنخفض الطاقة". مجلة IEEE للدوائر المتكاملة ذات الحالة الصلبة . 39 (7). معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE): 1170-1174 . Bibcode : 2004IJSSC..39.1170T . doi : 10.1109/jssc.2004.829937 . ISSN 0018-9200 . S2CID 31382407 .  
  3. ↑ دي ماتوس، م.؛ بيغيريه، ج.ب.؛ لابوياد، هـ.؛ بيلو، د.؛ إسكوت، ل.؛ ديفال، ي. (2005). وحدة استقبال أمامية من السيليكون والجرمانيوم بتردد 0.25 ميكرومتر لتطبيقات 5 جيجاهرتز . المؤتمر الدولي المشترك بين SBMO وIEEE MTT-S حول الموجات الدقيقة والإلكترونيات الضوئية. معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE). الصفحات 213-217 . doi : 10.1109/imoc.2005.1579980 . ISBN  0-7803-9341-4.
  4. ↑ جابارا، ت. (1999). خلية استعادة بيانات وساعة CMOS بتقنية 0.25 ميكرومتر، تعمل بحقن مقفل، بسرعة 5.6 جيجابت/ثانية . ندوة حول تصميم الدوائر المتكاملة والأنظمة. الصفحات 84-87 . doi : 10.1109/SBCCI.1999.802973 . 
  5. ↑ لي، ج.؛ ليو، م. (2007). دارة استعادة بيانات الاتصالات (CDR) بنمط الاندفاع بسرعة 20 جيجابت/ثانية باستخدام تقنية القفل بالحقن . المؤتمر الدولي لدوائر الحالة الصلبة (ISSCC). معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE). الصفحات 46-47 . doi : 10.1109/ISSCC.2007.373580 . 
  6. ↑ هونغ، ب.؛ حاج ميري، أ. (2019). "نظرية عامة لقفل وسحب الحقن في المذبذبات الكهربائية - الجزء الأول: النمذجة المتزامنة زمنيًا وتصميم شكل موجة الحقن". مجلة IEEE للدوائر المتكاملة . 54 (8). معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE): 2109-2121 . Bibcode : 2019IJSSC..54.2109H . doi : 10.1109/JSSC.2019.2908753 . S2CID 198356617 . 
  7. ↑ بينيت، ماثيو؛ شاتز، مايكل ف.؛ روكوود، هايدي؛ ويزنفيلد، كورت (8 مارس 2002). "ساعات هيغنز". وقائع الجمعية الملكية في لندن. السلسلة أ: العلوم الرياضية والفيزيائية والهندسية . 458 (2019). الجمعية الملكية: 563-579 . Bibcode : 2002RSPSA.458..563. doi : 10.1098 /rspa.2001.0888 . ISSN 1364-5021 . S2CID 6482041 .  
  8. ↑ بانتاليون، جيمس (2002). "مزامنة الميترونومات". المجلة الأمريكية للفيزياء . 70 (10). الرابطة الأمريكية لمعلمي الفيزياء (AAPT): 992-1000 . Bibcode : 2002AmJPh..70..992P . doi : 10.1119/1.1501118 . ISSN 0002-9505 . 
  9. ↑ شاهد تزامن 32 جهاز إيقاع (سي بي إس نيوز، 10 سبتمبر 2013)
  10. ↑ غولدشتاين، غييرمو هـ.؛ إنجلش، لارس كيو.؛ بهتا، إيما؛ فايندر، هليل؛ نادو، أليس ن.؛ ستروغاتز، ستيفن هـ. (2022-04-01). "المترونومات المقترنة على منصة متحركة مع احتكاك كولوم" . الفوضى: مجلة متعددة التخصصات للعلوم غير الخطية . 32 (4): 043119. arXiv : 2201.06161 . Bibcode : 2022Chaos..32d3119G . doi : 10.1063 /5.0085216 . ISSN 1054-1500 . PMID 35489851. S2CID 246015335 .   
  11. ↑ إرمنتروت، جي بي؛ رينزل، جيه. (1984-01-01). "ما وراء حدّ التزامن لجهاز تنظيم ضربات القلب: دراسة مرحلية". المجلة الأمريكية لعلم وظائف الأعضاء. علم وظائف الأعضاء التنظيمي والتكاملي والمقارن . 246 (1). الجمعية الأمريكية لعلم وظائف الأعضاء: R102– R106. doi : 10.1152/ajpregu.1984.246.1.r102 . ISSN 0363-6119 . PMID 6696096 .  
  12. ↑ ماينن، ز.؛ سيجنوفسكي، ت. (9 يونيو 1995). "موثوقية توقيت النبضات في الخلايا العصبية القشرية الحديثة". مجلة ساينس . 268 (5216). الجمعية الأمريكية لتقدم العلوم (AAAS): 1503-1506 . رمز Bibcode : 1995Sci...268.1503M . doi : 10.1126/science.7770778 . ISSN 0036-8075 . PMID 7770778 .  
  13. ↑ موري، توشيو؛ كاي، شويتشي (10 مايو 2002). "التزامن الناتج عن الضوضاء والرنين العشوائي في موجات الدماغ البشري". رسائل المراجعة الفيزيائية . 88 (21) 218101. الجمعية الفيزيائية الأمريكية (APS). رمز Bibcode : 2002PhRvL..88u8101M . doi : 10.1103/physrevlett.88.218101 . ISSN 0031-9007 . PMID 12059504 .  
  14. ↑ بوتزين، نيكولاس سي؛ هوشندونر، فيليب؛ أوغل، كورتيس تي؛ هيل، بول؛ ماثر، ويليام إتش. (12 نوفمبر 2015). "السير على إيقاع غير منتظم: تزامن المذبذبات الجينية الاصطناعية بواسطة محفز صاخب". مجلة ACS للبيولوجيا التركيبية . 5 (2). الجمعية الكيميائية الأمريكية (ACS): 146-153 . doi : 10.1021/acssynbio.5b00127 . ISSN 2161-5063 . PMID 26524465 .  

للمزيد من القراءة

* وولافر، دان هـ. 1991. تصميم دوائر الحلقة المغلقة الطورية ، برنتيس هول، ISBN 0-13-662743-9الصفحات 95-105

  • أدلر، روبرت (يونيو 1946). "دراسة لظواهر التزامن في المذبذبات". وقائع معهد مهندسي الراديو . 34 (6): 351-357 . doi : 10.1109/JRPROC.1946.229930 . S2CID 51638781 . 
  • كوروكاوا، ك. (أكتوبر 1973). "قفل الحقن لمذبذبات الحالة الصلبة للميكروويف". وقائع معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات . 61 (10): 1386-1410 . doi : 10.1109/PROC.1973.9293 .

* لي، توماس هـ. 2004. تصميم الدوائر المتكاملة للترددات الراديوية بتقنية CMOS ، كامبريدج، ISBN 0-521-83539-9الصفحات 563-566