PLL – Lazos Enganchados en Fase

Los PLL son dispositivos muy populares en electrónica desde la década de los años 1960, empleados siempre que se necesita una frecuencia muy estable. Son usados en infinidades de aplicaciones (prácticamente en todo circuito usado en telecomunicaciones)

Un oscilador de Lazos Enganchados en Fase, PLL por sus siglas en ingles correspondientes a Phase Loop Locked, en un circuito que permite que una señal de referencia externa, controle la frecuencia y la fase de un oscilador.

Principio de Funcionamiento

PLL diagrama bloques

El VCO (Voltage Controlled Oscilator) oscila libremente a una frecuencia, determinada por una red RC o LC, llamada frecuencia de corrida libre Ff (free frequency).  Esta frecuencia es comparada con la frecuencia Fs de una señal de referencia en el detector de fase (que se comporta como un mezclador cuando excede su rango lineal), el cual entrega la mezcla de ambas Fs-Fo o Fo-Fs dependiendo cual es mayor. Los productos de alta frecuencia tal como Fs+Fo, 2Fs, 2Fo, etc. son eliminados por el filtro pasabajos F(s).

frecuencias PLL

Si la frecuencia de la señal Ve (Fs-Fo o Fo-Fs) es lo suficientemente baja para  que el filtro pasabajos no la atenúe ni la desfase en exceso, Vd controlará el VCO, tendiendo a reducir la diferencia de frecuencias hasta que se igualen.

Una vez que se sincronizan Vo y Vs, esto es Fo = Fs, el detector de fase entrega una tensión Ve, con una componente continua estable necesaria para que el VCO iguale la frecuencia de la señal de referencia. En este caso se establece una diferencia de fase θd para producir la tensión Ve.

Estados de funcionamiento

  • Estado de Corrida Libre: Esta condición ocurre cuando no hay señal de entrada o hay una señal  de entrada a la cual el lazo no tiene posibilidades de enganchar. En esta condición, generalmente Vd = 0 o Vd ≈ VDD /2, cuando el chip es alimentado con una fuente de tensión VDD no partida.
  • Estado Fijo: Es el que corresponde cuando el lazo está enganchado en fase. Fo = Fs salvo una diferencia finita de fase θd. Cuando un lazo está enganchado por cada ciclo de la señal de entrada, hay uno y solo un ciclo de la señal de salida. Si el comparador de fase no excede su rango lineal se asegura el cumplimiento de esta condición.
  • Estado de Captura: Es el estado previo al fijo, es cuando el VCO está cambiando de frecuencia, intentando enganchar la frecuencia de la señal de referencia.

Rangos de Funcionamiento

Es conveniente definir los rangos de funcionamiento a partir de las variaciones de Vd cuando se varía la frecuencia de la señal de referencia.

PLL rangos funcionamiento

•  Ff: frecuencia de corrida libre
•  2Fc: rango de captura
•  2Fp: rango de tracción
•  2Fl: rango de seguimiento,  siempre se cumple que 2fC < 2fP < 2fL

El rango de seguimiento 2Fl no depende de las características del filtro. Los límites superior y/o inferior quedan definidos por el dispositivo que primero se sature,  puede ser el comparador de fase, el VCO o algún otro dispositivo activo del lazo.

El rango de captura 2Fc y el rango de tracción 2Fp dependen entre otras cosas, del filtro pasabajos. Las características del filtro, entre otras cosas, limitan la rapidez en que el estado fijo puede ser alcanzado, ya que la tensión del capacitor del filtro pasabajos no puede cambiar instantáneamente, oficiando el capacitor de memoria, asegurando una rápida recaptura de la señal,  si el sistema sale de sincronismo por un transitorio de ruido.

El proceso de adquisición del estado fijo, es complicado, no lineal, y de difícil análisis, por lo cual solo vamos a analizar el PLL ya en estado fijo. Una vez que el proceso de corrección (o adquisición del sincronismo en el lazo, o fijación del lazo) se ha completado, el PLL va a seguir automáticamente las variaciones de la señal de entrada. Si esta señal es más bien estable, con poco ruido y disturbios, el lazo necesita muy poca información para reproducirla fielmente. En este caso, un filtro de ancho de banda muy pequeño (puede ser tan angosto como 1 o 2Hz) es suficiente. El uso del PLL reduce tremendamente el contenido de ruido de la señal de entrada.

El lazo funciona como un filtro de frecuencia variable y de pequeño ancho de banda, que puede seguir automáticamente una señal de referencia, aun cuando esta posea una relación señal a ruido muy pobre.

Dentro del rango de captura sólo es posible un estado de equilibrio, correspondiente al PLL enganchado. Fuera del rango de captura pero dentro del rango de tracción, son posibles dos situaciones: enganchado u oscilando a la frecuencia libre, dependiendo si se entra en esa región estando el PLL enganchado o no. Finalmente, fuera del rango de seguimiento, sólo funcionará desenganchado.

Aplicaciones de los osciladores PLL

  • Generadores de portadoras para emisión con modulación de ángulo o no.
  • Generación de osciladores locales en recepción.
  • Sintetizadores de frecuencia.
  • Demoduladores de señales moduladas en ángulo.
  • Recuperación de impulsos de reloj en transmisiones digitales.
  • Circuitos de sincronismo para barrido horizontal y vertical en  receptores de   televisión.
  • Recepción de señales satelitales de satélites no geoestacionarios.
  • etc.

 

Oscilador Pierce

El Oscilador de Pierce o Oscilador Discreto de Pierce (oscilador de cristal) presenta como ventaja el echo de que su frecuencia de operación abarca completamente el rango de frecuencia del cristal empleado.

El circuito necesario para implementarlo es sencillo y no requiere una gran cantidad de componentes, muchas versiones que se pueden encontrar por la web solo emplean 1 transistor. Los diseños pueden generar una gran potencia de señal en su salida mientras que la potencia disipada en el cristal se mantiene baja. Otra de las ventajas del oscilador de Pierce es su excelente estabilidad de frecuencia debido a que el factor de estabilidad (Q) del circuito es tan alto como el Q del cristal.

Como desventaja podemos destacar que necesita un amplificador de alta ganancia, debido a esto se presenta la necesidad de que el transistor tenga una ganancia alta o emplear un amplificador de múltiples etapas

oscilador pierce

La figura anterior muestra un circuito para un oscilador discreto de Pierce de 1 MHz. El transistor Q1 proporciona toda la ganancia necesaria para que ocurran las oscilaciones autosuficientes. R5 y C1 proporcionan un atraso en fase de 65° a la señal de realimentación.La impedancia del cristal es básicamente resistiva con un pequeño componente inductivo. Esta impedancia combinada con la reactancia de C2 proporciona los 115° adicionales de atraso en fase. El transistor invierte la señal (cambio de fase de 180°), proporcionándole al circuito los 360° necesarios para el cambio de fase total.

Debido a que la carga del cristal es principalmente no resistiva (en su mayor parte la combinación en serie de C1 y C2), este tipo de oscilador proporciona muy buena estabilidad en frecuencia a corto plazo. Pero C1 y C2 también introducen pérdidas sustanciales y, por consecuencia, el transistor tiene que tener una ganancia de voltaje relativamente alta.

Oscilador Pierce con Circuitos Integrados

La figura inferior muestra un oscilador de cristal Pierce implementado mediante circuitos integrados. Aunque realizar esto provoca una disminución en la estabilidad de frecuencia, el echo de poder implementar el circuitos oscilador con un solo chip nos permite reducir el costo de diseño comparándolo con uno realizo con componentes discretos (como vimos anteriormente).

oscilador pierce discreto

Para asegurar que empiecen las oscilaciones, se invierte  la entrada y salida del amplificador A1 para una operación de clase A. El operacional A2 convierte la salida del operacional A1 a una oscilación completa del punto de corte a saturación, reduciendo los tiempos de crecimiento y descarga así como el búfer de la salida de A1. La resistencia de salida de A1 se combina con C1 para proporcionar el atraso de fase necesario de RC.

Las versiones de CMOS operan hasta aproximadamente 2 MHz, y las versiones de ECL puede operar hasta los 20 MHz.

Oscilador LC

Los osciladores LC también conocidos como osciladores de circuito tanque son los más usados en aplicaciones sencillas, debido a su dificultad baja y a las buenas prestaciones.

Un oscilador LC es un circuito oscilador que utiliza una configuración denominada circuito tanque LC, el valor del capacitor y del inductor empleados determinan la frecuencia de resonancia.

La operación del circuito tanque, componente principal de un oscilador LC, involucra un intercambio de energía cinética y potencial. En la figura siguiente podemos ver que una vez que la corriente empieza a circular por el circuitos (instante t1), se produce un intercambio de energía entre el capacitor y el inductor produciendo un voltaje de salida alterna correspondiente (por tiempos t2 a t4).

Fig 1

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Osciladores de Onda Senoidal 2/3

Oscilador Hartley (1928)

Oscilador Hartley (1928)

Un oscilador de onda senoidal es un circuito que, mediante amplificación y realimentación, genera una onda sinusoidal. Su elemento activo es, normalmente, un transistor único, un TEC (FET), un bipolar o un integrado, y la frecuencia de operación se determina con un circuito sintonizado o un cristal piezoeléctrico en la trayectoria de realimentación.
Estos circuitos se usan para:

• Establecer la frecuencia de portadora
• Excitar las etapas mezcladoras

Existen muchos tipos de circuitos osciladores. Algunos de los factores que entran en la elección de un circuito incluyen:

• Frecuencia de operación
• Amplitud o potencia de salida
• Estabilidad de la frecuencia
• Estabilidad en amplitud
• Pureza de la forma de onda de salida
• Arranque seguro
• Rendimiento
• La posibilidad de que ocurran modos de oscilación indeseables, etc.

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Osciladores de Onda Senoidal 1/3

oscilador-senoidal

El objetivo de este post es dar un enfoque intuitivo acerca de los osciladores de onda senoidal de radiofrecuencia. Podemos definir un oscilador como un circuito que produce una oscilación propia de frecuencia, forma de onda y amplitud determinadas.

Se entiende por oscilador a una etapa electrónica que, siendo alimentada con una tensión continua, proporciona una salida periódica, que puede ser aproximadamente sinusoidal, o cuadrada, o diente de sierra, triangular, etc. O sea que la esencia del oscilador es “crear” una señal periódica por sí mismo, sin que haya que aplicarle señal alguna a la entrada.

Nos limitaremos al estudio de los osciladores de onda senoidal, o, en realidad, “casi senoidal” o “quasi sinusoidal” como se los suele llamar.

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