Phase lock loop

Laboratorio de Electrónica

Práctica 9. Sintetización de frecuencia con PLL

1. Introducción

Un PLL (Phase Lock Loop, o Lazo de Enganche de Fase) es un dispositivo muy versátil, que se utiliza en diversas aplicaciones tales como discriminación de frecuencia, conversión de voltaje a frecuencia, control de velocidad de motores, sincronización de datos, síntesis y multiplicación defrecuencia, etc.; aunque probablemente la aplicación más común es la demodulación de señales de frecuencia modulada (FM), estando el PLL presente en la inmensa mayoría de receptores de radio modernos.
La característica más relevante del PLL que lo hace insustituible en estas diversas aplicaciones es su capacidad de generar señales de frecuencia superior a la señal de entrada que se le introduce. En lapráctica 7 se estudió cómo dividir la frecuencia mediante flip-flops. En esta práctica se utilizará el PLL para construir un multiplicador de frecuencia.

2. Componentes del PLL

Básicamente, un PLL está compuesto por un comparador o detector de fase (PC, Phase Comparator) y un oscilador controlado por tensión (VCO, Voltaje Controlled Oscilador), que se conectan en lazo cerrado, como seexplicará en la sección 3. (Por el momento simplemente vamos a describir el funcionamiento de estos componentes). En esta práctica se utilizará el circuito integrado 74HEF4046B de Philips, que tiene dos comparadores de fase distintos y el VCO. La figura 1 muestra la identificación de terminales de este integrado. (Pueden consultarse las hojas de datos para obtener una información más detallada). Elsignificado de cada terminal se explicará en las secciones siguientes.

2.1. Comparadores de fase
Los dos comparadores de fase (PC1 y PC2) tienen las entradas COMPIN y SIGIN en común y salidas independientes (PC1OUT y PC2OUT). Cualquiera de ellos genera a la salida una señal de tensión cuyo valor medio en el tiempo (es decir, su componente de continua) es proporcional a la diferencia de las fases delas dos señales conectadas a las entradas. Para convertir la señal de salida del comparador de fase en una señal de continua, será necesario incluir un filtro pasa baja externo al 4046. Si llamamos Kp a la ganancia del comparador de fase:

[pic] (1)

= Señal de salida del comparador de fase tras un filtro pasa baja
(SIGIN = Fase de la señal SIGIN: [pic]
(COMPIN = Fase dela señal COMPIN: [pic]

Si las frecuencias de las señales SIGIN y COMPIN son iguales, la diferencia de fase entre ambas señales será un desfase constante y la salida del comparador de fase tras el filtro pasa baja () tendrá un valor constante. Si se producen diferencias entre ambas frecuencias, se producirán variaciones en PCOUT.
En la sección 3 veremos cómo aprovechar este comportamientoen una configuración de lazo cerrado (el lazo de enganche de fase propiamente dicho) para generar una señal de la misma frecuencia que una señal de referencia.
La estructura y el funcionamiento interno de cada uno de los comparadores de fase es diferente:

Phase Comparator 1 (PC1): Este comparador es una puerta O-exclusiva (XOR), por lo que cuando ambas señales de entrada son iguales la salidaestá a 0V, mientras que si son diferentes la salida pasa a VCC. (VCC = tensión de polarización del 4046). Este comparador funciona de manera óptima para señales de entrada con ciclo de trabajo del 50%.

Phase Comparator 2 (PC2): Este segundo comparador es el que presenta las mejores características de enganche de los tres. (Más adelante se explicará el concepto de “enganche”). Funciona mediantela detección de flancos de subida. En principio se encuentra en un estado de alta impedancia; es decir, se comporta como un circuito abierto. Si detecta un flanco de subida de SIGIN se pone a VCC hasta que detecta un flanco de subida de la señal COMPIN, momento en el que pasa de nuevo al estado de alta impedancia. Si por lo contrario detecta primero un flanco de subida de COMPIN lo que hace es...