CIRCUITE PLL

Circuitele PLL (Phase Locked Loops) sunt sisteme automate dupa abatere, ca in figura 6.1, care actioneaza pentru mentinerea constanta a frecventei f ₀ a semnalului de iesire, egala cu valoarea frecventei f_i a prescrierii. Circuitele PLL se mai numesc si circuite cu calare pe faza.

1. Schema bloc a unui circuit PLL

		Fig. 6.1.

	Fig. 6.2.

Schema bloc din figura 6.2 are in componenta un comparator CP al frecventelor tensiunii Vi si tensiunii V₀ , un oscilator OCT comandat in tensiune de valoarea semnalului de eroare si un filtru FTJ trece jos. Oscilatorul oscileaza liber pe frecventa f₀ .Tensiunea de abatere modifica valoarea frecventei oscilatorului astfel incat fo sa fie egala cu f_i (f₀=f_i). Daca f₀ a ajuns egal cu f_i spunem ca cele doua semnale (Vi si Vo) sunt calate sau ca circuitul PLL s-a calat pe frecventa fi.

Comparatorul este un circuit de multiplicare a doua semnale

Vi=V₁sinω_it si V₀=V₀sin (ω₀t+θ) al carui rezultat este

V₃=ViVo=(ViVo/2).

Filtrul trece jos are o caracteristica de frecventa, ca in figura 6.3, care permite transferul de la intrarea V3 la iesirea V4 a tensiunilor a caror frecventa indeplinesc conditia

f<fj ω<ωj,

avand drept rezultat tensiunea V₄=KV₃ , unde K este o constanta.

FTJ actioneaza deci pentru eliminarea componentelor tensiunii V₃ de frecventa f₀+f .La iesire se obtine

V4=K (ViV0/2)cos[(ωi-ωo)t-θ].

Daca ωi este apropiat de ωo, atunci Δω=ωi-ωo, se situeaza in zona liniara a caracteristicii FTJ si K=ct. Daca ωi-ωo<ω_j si tensiunea V4 de comanda a OCT este corespunzatoare modificarii f0 catre valoarea φ.

In acest caz spunem ca frecventa fi este in interiorul benzii de captura (Bc) si OCT se poate cala pe aceasta frecventa . Avem

2|fi-f0|<Bc

Daca ωi este departe de ω₀ atunci :

Δω=ωi-ωo>ω_j,

Coeficientul de transfer K este foarte mic, tensiunea de comanda este V4=KV3=foarte mica si determina mici modificari ale valorii frecventei f0. OCT nu poate aduce f₀ la f_i PLL nu se poate cala pe frecventa f_i

Dupa ce PLL s-a calat pe frecventa f_i f0=fi T

V4=K(ViV0/2)cosθ, T

Pentru ca tensiunea de cala V4=0 la

ca T defazajul dintre cele doua tensiuni Vi si V₀, in conditiile calarii PLL este egal cu .

Dupa sincronizarea celor doua frecvente fi si f0, la modificarea φ PLL va modifica f₀ pentru a urmarii variatiile frecventei tensiunii de intrare, numai daca variatia lui φ se incadreaza in interiorul benzii de urmarire a PLL

2|fi-f0|<Bu.

Banda de urmarire este definita de parametrii PLL(OCT,FTJ). Raspunsul PLL la modificarea fi poate fi amortizat sau aperiodic, ca in figura 6.4, dupa cum bucla PLL defineste un sistem de ordinul 1 sau ordinul 2.

_{f f}

_{t t}

Fig. 6.4.

6.2. Demodularea semnalelor MF cu circuite PLL

Schema din fig.6.1 poate fi desenata ca in figura 6.5.

Daca Vi este un semnal modulat in frecventa

fi=f0+ω(t)Δf,

in cazul in care circuitul PLL este calat ( adica f0=fi ) tensiunea este

V4=Kftj(ViV0/2)cosθ=Kftj(ViV0/2)cos[ω(t)Δt] T

V4 ω(t)

Fig. 6.5.

		Fig. 6.6.

_βE565-FTJ

La borna (7) se poate conecta un singur condensator C, sau un grup R2C.

V4=(R1||Zc)Ic1=(R1||Zc)gm

dar Ic1=gm

Functia de transfer cand : Zc=1/j C

F(jw)=V4/V3=gm R1/(1+j R1C) =R1C pol

Functia de transfer cand: Zc=(1/j C)+R2

F(j )= F0(1+ ω)/[(δ1+δ2)Jω+1]

Circuitul integrat βE 561

Pentru frecvente de pana la 30 MHz se poate utiliza circuitul PLL BE 561, pentru demodularea semnalelor MF sau MA, ca filtru urmaritor de banda ingusta, generator de semnale,s.a.

	Fig. 6.7.

In figura 6.7 este prezentata schema de principiu a circuitului integrat PLL de tipul BE 561. Circuitul are in componenta :

comparatorul CP de faza cu intrare diferentiala pentru semnalul s₁; semnalul s₂ de iesire al OCT este aplicat intern la intrarea CP, dar se regaseste si la teminalul 5 ;

FTJ realizat cu rezistentele de iesire din CP si un condensator sau o retea RC plasata la terminalele 14 - 15 ;

etajele diferentiale de amplificare A₁ si A₂ ;

OCT, cu f_osc reglabila prin C_o, plasat intre terminalele 2 si 3 ;

etajul multiplicator dublu echilibrat pentru demodularea sincrona a semnalelor modulate in amplitudine ;

OCT este un oscilator de inalta frecventa realizat cu tranzistori cu cuplaj prin emitor, a carui schema este prezentata in figura 6.8.

	Fig. 6.8.

Tranzistoarele T₁₂ si T₁₃ functioneaza in contratimp, incarcand si descarcand condensatorul C_o cu, curentul constant I₂₁ sau I₂₃ furnizat de sursele de curent. Tensiunile de colector v_C12 si v_C13 raman aproximativ constante si egale cu V_CC pentru tranzistorul blocat si cu V_CC - V_R = V_CC - R₁(I₂₁ + I₂₃), pentru tranzistorul in conductie. Diodele D₁ si D₂ limiteaza pe V_R la circa 0,7V.

Tensiunile de iesire sunt preluate prin repetoarele T₁₁ si T₁₄.

Daca initial T₁₂ este blocat, iar T₁₃ conduce,

v_c12 V_CC , v_C13 = V_CC - v_R1 = V_CC - R₁(I₂₁ + I₂₃).

Tensiunea la bornele condensatorului C_o va avea deci o variatie uniforma dv_C / dt = - I₂₁ / C_o , ca in figura 6.9.

Tranzistoarele T₁₄ si T₁₄ intra in conductie cand v_E1 devine cu 2v_BE mai mic decat v_C1. In momentul comutarii tensiunea pe condensatorul C_o are valoarea -R₁( I₂₁ +I₂₃ ), iar potentialul colectorului T₁₂ scade la V_CC - V_R. Ca urmare, polarizarea tranzistoarelor T₁₁ si T₁₃ devine insuficienta si ele se blocheaza. Condensatorul C_o se incarca in sens contrar, iar tensiunea la bornele sale atinge in final valoarea +2R₁( I₂₁ + I₂₃ ).

Incarcarea fiind liniara, duratele celor doua impulsuri sunt :

t₁ = 2R₁( I₂₁ +I₂₃ )C_o /I₂₁ ;

t₂ = 2R₁( I₂₁ +I₂₃ )C_o /I₂₃ .

De aici rezulta frecventa semnalului generat de OCT : f_osc =1/( t₁ + t₂ ) = 1 / ( 8R₁C_o ), in cazul cand I₂₁ = I₂₃ .

Cand semnalul V_R atinge limita v_D, relatiile de mai sus devin f = I/4v_DC_o daca I₂₁ = I₂₃ .

Fig. 6.9.

In cazul circuitului βE 561, frecventa poate fi comandata cu ajutorul curentului de polarizare I_C, al etajului amplificator A₂. Condensatorul se alege conform relatiei C_o = 300/f_osc pF .

Comanda se face prin semnalul v_o furnizat de FTJ(in functionarea normala a buclei PLL), sau din exterior.

Comanda externa se poate face la terminalul 6 la care se aplica tensiuni mai mici decat 2v_D si la terminalul 7 la care se conecteaza o rezistenta intre 5 si 20 KΩ.

Date de catalog pentru BE 561

Valori limita absolute

Tensiunea de alimentare 25V

Tensiunea diferentiala de intrare 1V

Puterea disipata 300 mW

Temperatura de functionare 0 . . . 70^o C

Caracteristici electrice tipice

Limitele frecventei OCT 0.1 Hz - 30 MHz

Curentul de alimentare 10 mA, la V_CC = 18 V

Semnalul minim de intrare pentru sincronizare 100 μV

Tensiunea de c.c. la intrare 4 V

Tensiunea de c.c. la iesire 14 V

Amplitudinea disponibila la iesire (terminalul 9) 4 V_{v - v}

Impedanta de intrare 2 KΩ || 4 pF

Demodulator MF cu BE 561

Semnalul MF se aplica la intrarea CP, iar semnalul demodulat se obtine la iesirea A₂. Semnalul MF trebuie sa aiba amplitudinea mai mare ca 120μV. Relatiile de calcul pentru elementele circuitului sunt :

capacitatea condensatorului C apartinand FTJ : C 13,30 / f μF, unde f este largimea de banda pentru semnalul demodulat

Fig. 6.10.

capacitatea condensatorului C_o : C_o 300 / f_osc pF unde f_osc = f_purtator este exprimata in MHz .

In figura 6.10 este prezentat un demodulator MF in conditiile

f_p = f_osc = 10,7 MHz, f_m = 1 kHz, Δf = 75 kHz rezulta C = 0,5 nF,C_o = 27 pF.

Demodulator MA cu BE 561

Circuitul multiplicator M permite demodularea semnalelor modulate in amplitudine (MA), avand f_p = 30 MHz si amplitudinea mai mare ca 170μV. Multiplicatorul trebuie sa primeasca la intrarea sa semnalul MA si un semnal de frecventa purtatoarei, sincron cu semnalul MA.

Bucla PLL este utilizata pentru refacerea purtatoarei. Daca aceasta are frecventa f_p = f₁ = f_osc, la iesirea OCT rezulta un semnal sincron cu s₁, dar defazat cu 90 ^o . Pentru ca semnalele s₁ si s₂ (la iesirea OCT) sa rezulte in faza, sau defazate cu 180 ^o, inainte de a fi aplicat la intrarea buclei PLL, s₁ este trecut printr-o retea de defazare RC, ca in figura 6.11.

	Fig. 6.11.

Alegand R₁ = R₂ = R_i = 2k (R_i fiind rezistenta de intrare la terminalul 13) si C₁ = C₂ se poate arata ca filtrul introduce la frecventa 1 / 2πRC un defazaj de 90 ^o.

In figura 11 se indica un demodulator MA pentru un semnal avand f_p = 1MHz, f_m = 1 kHz si amplitudinea purtatoarei de 1,4 mV.

	Fig. 6.12.

Componentele se aleg conform relatiilor :

C_o = 300 / f_osc = 300 / 1 MHz = 300 pF

C₁ = 1 / 2πR₁f_osc = 1 / (2π * 2 *10 ³ * 10 ⁶) = 100 pF

C 13,3 / f_m = 13,3 / 10 ³ μF = 13,3 nF ,

Pentru care valori se obtine schema din figura 6.12.