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PLL. (Phase Locked Loop, lazo de captura de fase) Circuito de realimentación negativa que acepta una frecuencia en su entrada y que proporciona en la salida un frecuencia o una tensión. Consiste, básicamente, en un detector de fase, un filtro pasa bajas y un oscilador controlado por tensión. El hecho de poseer un oscilador controlado lo hace capaz de engancharse o sincronizarse con una señal entrante. Si la fase cambia, indicando que la frecuencia entrante está cambiando, la tensión de salida del detector de fase aumenta o disminuye justo lo suficiente para mantener a la frecuencia del oscilador igual a la frecuencia entrante, manteniendo la condición de enganchado. Así, la tensión promedio aplicada al oscilador controlado es una función de la frecuencia de la señal entrante. De hecho, la tensión del filtro pasa bajas es la salida demodulada cuando la señal entrante es modulada, en frecuencia (siempre que el oscilador controlado tenga una característica de transferencia lineal tensión-frecuencia).
Sumario
Historia
La recepción sincrónica de señales de radio que usa técnicas PLL fue descrita a principios de la década de los treinta. El primer uso generalizado del lazo de fase, sin embargo, fue en los receptores de televisión, para sincronizar los osciladores de barrido horizontal y vertical con los pulsos de sincronía transmitida. Últimamente, los receptores enganchados en fase de banda angosta han demostrado ser una herramienta muy útil en el rastreo de señales satelitales débiles, debido a su superior inmunidad al ruido. Aplicaciones, tales como ésta, fueron implementadas inicialmente en forma de componentes discretos e involucraban una considerable complejidad, incluso después de la aparición de los transistores. Esta complejidad hizo a las técnicas PLL poco prácticas o antieconómicas, en la mayoría de los sistemas. El desarrollo del PLL de chip único ha cambiado considerablemente la situación.
Ahora, un dispositivo de cubierta simple, con unos pocos componentes externos, ofrece al usuario todos los beneficios de la operación de los PLL, incluyendo frecuencia central independiente y ajuste de ancho de banda, inmunidad al ruido elevado, gran selectividad, operación a altas frecuencias y sintonización de frecuencia central, mediante un único componente externo.
Los circuitos integrados 560B, 56213 y 565 son PLL's de propósito general que contienen un oscilador, un detector de fase y un amplificador. Cuando están enganchados a una señal entrante, proporcionan dos salidas: una tensión proporcional a la frecuencia de la señal entrante (producción de FM) y la salida del oscilador de onda cuadrada que, durante el enganche, es igual a la frecuencia entrante. Todos los dispositivos de propósito general están optimizados para proporcionar una característica de transferencia lineal, "frecuencia a tensión".
Funcionamiento
El detector de fase, como su propio nombre indica, es capaz de determinar el desfase existente entre dos señales. Existe una gran variedad de ellos, de los que se destacan los siguientes: detectores de fase de muestreo y retención, detectores de fase de tipo discriminador, detectores de fase de tipo multiplicador y detectores de fase digitales. Dependiendo de la aplicación para la que se va a usar el PLL hay que ponerle un detector de fase u otro, ya que no hay uno que sea el mejor sino que depende del uso que se le dé al circuito.
Para elegir un detector u otro hay que tener en cuenta, principalmente, dos factores: el tipo de señal de entrada y el intervalo de error de fase de entrada en el cual la salida es lineal. Dependiendo del tipo de señal de entrada que se va a aplicar al PLL se usará un tipo de detector de fase u otro ya que, por ejemplo, una entrada cosenoidal y una entrada digital requieren detectores de fase diferentes. Por otra parte, según sea el intervalo de error de fase de la entrada en el cual la salida es lineal también se utiliza un detector de fase u otro. Cuanto más amplio sea dicho intervalo más útil va a ser el detector de fase para controlar el lazo y además el ruido va a afectar menos. Los detectores de fase de tipo multiplicador y los digitales son los que más se utilizan. Los primeros son útiles cuando la señal de entrada es de tipo cosenoidal y los segundos, como su nombre indica, son usados para señales de entrada de tipo digital.
Dentro del lazo de realimentación de un PLL aparte de un filtro y de un detector de fase se encuentra un VCO (osciladores controlados por voltaje). Hay varios tipos de VCO que se pueden usar en los PLL: osciladores de cristal, osciladores LC y multivibradores RC. Al igual que con los detectores de fase se va a usar un VCO u otro dependiendo del tipo de aplicación se le dé al PLL. Los dos factores que se analizan para elegir el tipo de VCO más adecuado son la estabilidad de fase y el intervalo de control. La frecuencia del VCO está sujeta a la señal de entrada, pero la relación de fase de salida del oscilador con la entrada va a depender de la frecuencia natural del oscilador. Por lo tanto, va a influir mucho el tipo de VCO que se utilice. La frecuencia natural de oscilación va a variar con la temperatura, el tiempo y el ruido de la entrada, produciéndose un cambio en la fase de salida que, si es muy grande, puede llegar a perderse la sujeción. Por lo tanto, para tener una buena estabilidad, la frecuencia del VCO debe ser lo menos variable posible frente a la temperatura, tiempo y ruido. Por otro lado, es conveniente que el VCO esté relacionado en un rango de frecuencias lo más grande posible, debido a que cuanto mayor sea el intervalo de control resulta más fácil para el lazo mantener dicho control.
Tal vez el punto más importante que hay que comprender cuando se diseña con el PLL es que se trata de un sistema de retroalimentación y, por lo tanto, está caracterizado matemáticamente por las mismas ecuaciones que se aplican a los sistemas de feedback más convencionales. Los parámetros en las ecuaciones son un poco diferentes, sin embargo, dado que la señal de error de feedback, en el sistema de enganche de fase, es una señal de fase antes que una señal de tensión o corriente como es usualmente el caso de los sistemas de feedback convencionales.
Lazo
El principio básico de operación de un PLL puede ser explicado brevemente como sigue: sin ninguna señal de entrada aplicada al sistema, la tensión de error Vd(t) es igual a cero. El VCO opera a una frecuencia establecida “wo” que es conocida como la frecuencia de operación libre o frecuencia natural. Si se aplica una señal entrante al sistema, el comparador de fase compara la fase y la frecuencia de la entrada con la frecuencia del VCO y genera una tensión de error Ve(t) que está relacionada con la fase y la diferencia de frecuencia entre las dos señales. Este error de tensión es luego filtrado, amplificado y aplicado a la terminal de control del VCO. De esta manera, la tensión de control Vd(t) fuerza a la frecuencia del VCO a variar en una dirección que reduce la diferencia de frecuencia entre “wo” y la señal de entrada. Si la frecuencia de entrada “wi” está suficientemente cerca a “wo”, la naturaleza de feedback del PLL hace que el VCO se sincronice o enganche con la señal de entrada. Una vez enganchado, la frecuencia del VCO es idéntica a la señal de entrada excepto por una diferencia de fase finita. Esta diferencia de fase neta qo es necesaria para generar la tensión de error correctivo Vd(t), para desplazar la frecuencia del VCO de su valor de frecuencia libre a la frecuencia de la señal entrante “wi” y, así, mantener el PLL enganchado. Esta habilidad de auto corrección del sistema también permite al PLL rastrear los cambios de frecuencia de la señal entrante una vez que está enganchado.
El rango de frecuencias sobre las cuales el PLL puede mantener su enganche con una señal entrante es definido como el rango de enganche del sistema. La banda de frecuencias sobre las cuales el PLL puede adquirir enganche con una señal entrante se conoce como el rango de captura del sistema, y nunca es mayor que el rango de enganche.
Cuando la frecuencia de salida del PLL está ligada a la del generador, en este PLL sencillo, la diferencia de fase entre las dos frecuencias varía desde 0 a 180 grados, dentro de todo el margen. Existen otros comparadores de fase más complicados con los que es posible conseguir que la diferencia de fase entre las dos frecuencias sea siempre 0º, dentro de todo el margen de enganche de frecuencia.
Otro medio para describir la operación del PLL es observar que el comparador de fase es, en realidad, un circuito multiplicador que mezcla la señal entrante con la señal VCO. Esta mezcla produce las frecuencias de suma y diferencia wi±wo que se muestran en diagrama de bloques del PLL. Cuando el lazo está enganchado, el VCO duplica la frecuencia entrante de modo que la componente de diferencia de frecuencia (wi - wo) es cero; por lo tanto, la salida del comparador de fase contiene una componente de corriente continua (DC). El filtro pasa bajo elimina la componente de suma de frecuencia (wi + wo) pero pasa la componente DC, que es luego amplificado y llevado de vuelta al VCO. Hay que notar que cuando el lazo está enganchado, la componente de diferencia de frecuencia es siempre DC, de modo que el rango de enganche es independiente del ancho de banda del filtro pasa bajo.
Enganche y Captura
Considérese ahora el caso en que el lazo todavía no está enganchado. El comparador de fase de nuevo mezcla las señales de entrada y VCO para producir componentes de suma y diferencia de frecuencia. Ahora, sin embargo, la componente de diferencia puede caer fuera de la frecuencia de corte del filtro pasa bajas y ser eliminado junto con el componente de suma de frecuencia. Si éste es el caso, no se transmite ninguna información alrededor del lazo y el VCO permanece en su frecuencia inicial de operación libre.
Al acercarse la frecuencia entrante a la del VCO, la frecuencia de la componente “diferencia” disminuye y se acerca al ancho de banda del filtro pasa bajas. Ahora, algo del componente “diferencia” pasa, lo que tiende a llevar al VCO hacia la frecuencia de la señal de entrada. Esto, a su vez, disminuye la frecuencia de la componente de diferencia y permite que se transmita más información a través del filtro pasa bajo del VCO. Este es, esencialmente, un mecanismo de feedback positivo que hace que el VCO salte a engancharse con la señal de entrada.
Teniendo en mente este mecanismo, el término “rango de captura” puede ser definido, nuevamente, como el rango de frecuencia centrado alrededor de la frecuencia de operación libre inicial del VCO sobre el que el lazo puede adquirir enganche con la señal de entrada. El rango de captura es una medida de cuán cerca la señal de entrada debe estar, en frecuencia, a la del VCO para adquirir enganche. El rango de captura puede asumir cualquier valor dentro del rango de enganche y depende, principalmente, del ancho de banda del filtro pasa bajas, junto con la ganancia de lazo cerrado del sistema. Es este fenómeno, captura de la señal, el que le da al lazo sus propiedades selectivas de frecuencia.
Es importante distinguir el “rango de captura” del “rango de enganche” el que puede, nuevamente, ser definido como el rango de frecuencia usualmente centrado alrededor de la frecuencia de operación libre inicial del VCO, sobre el cual el lazo puede rastrear la señal de entrada, una vez que se logra el enganche.
Cuando el lazo está enganchado, la componente de diferencia de frecuencia en la salida del comparador de fase (tensión de error) es DC y siempre será pasado por el filtro pasa bajas. Así, el rango de enganche es limitado por el rango de tensión de error que puede ser generado y producirá la correspondiente desviación de frecuencia del VCO. El rango de enganche es esencialmente un parámetro de DC y no es afectado por el ancho de banda del filtro pasa bajas.
Efecto del Filtro Pasa Bajas
En la operación del lazo, el filtro pasa bajas cumple una función doble:
1.- Al atenuar las componentes de error de alta frecuencia en la salida del comparador de fase, mejora las características de rechazo de interferencias.
2.- Provee una memoria de corto plazo para el PLL y asegura una rápida recaptura de la señal, si el sistema es sacado del enganche por un ruido transitorio.
El ancho de banda del filtro pasa bajo tiene los siguientes efectos sobre el rendimiento del sistema:
a) El proceso de captura se vuelve más lento, y el tiempo de recuperación aumenta.
b) Disminuye el rango de captura.
c) Las propiedades de rechazo de interferencias del PLL mejoran, dado que la tensión de error causada por una frecuencia interfiriente es atenuada más todavía por el filtro pasa bajo.
d) La respuesta transitoria del lazo (la respuesta del PLL a cambios repentinos en la frecuencia de entrada dentro del rango de captura) se vuelve subamortiguada.
Aplicaciones
Demoduladores de amplitud, modulación de frecuencia, multiplicadores de frecuencia y sintetizadores de frecuencia.
