Tag Archives: VCO

PLL – Lazos Enganchados en Fase

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.