Malha de Captura de Fase
ou
PLL
(
Phase Locked Loop
em
ingles
) e um sistema de realimentacao em que o sinal de realimentacao e usado para sincronizar a frequencia instantanea do sinal de saida com a frequencia instantanea do sinal de entrada. Pode ser analogico ou digital. Em 1969, a empresa americana
Signetics
lancou uma linha de circuitos integrados PLL de baixo custo, como o NE565,
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e a tecnica difundiu-se. Alguns anos depois, a
RCA
introduziu o CD4046
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de tecnologia
CMOS
, que tambem se tornou popular.
O PLL basico e composto por tres elementos principais: detector ou comparador de fase, filtro passa-baixas e oscilador controlado por tensao (VCO -
Voltage Controlled Oscillator
).
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Detector ou comparador de fase
Existem dois tipos diferentes de detectores de fase nos PLLs comuns: tipo I e tipo II.
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O detector de fase do tipo I consiste no multiplicador que dobra a frequencia do sinal de saida em relacao a frequencia dos sinais de entrada. Isso permite que os PLLs sejam usados para multiplicar frequencias. O grande problema deste tipo de circuito e que ele tende a travar quando sinais de frequencias multiplas sao aplicados a entrada, ou seja, nao e capaz de diferenciar um sinal da frequencia fundamental de uma harmonica, podendo travar em qualquer dos dois. Um outro problema e que se os sinais aplicados na entrada nao tiverem um ciclo ativo proximo de 50%, o detector do tipo I tambem nao funcionara direito. A vantagem deste circuito e a sua imunidade a ruidos na entrada.
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Ja o detector do tipo II trabalha com as frontes dos sinais aplicados na entrada, ou seja, ele leva em conta o instante em que os sinais mudam de nivel o que significa que eles devem trabalhar com sinais retangulares. Pode-se comparar este detector a uma chave de 1 polo x 3 posicoes. Quando o sinal de entrada tem uma transicao negativa faz com que a chave seja levada para a posicao de nivel logico 1 (para cima) a nao ser que ela ja esteja nesta posicao. Da mesma forma, uma transicao negativa do sinal do VCO faz com que a chave passe para a posicao de nivel logico 0 (para baixo). Isso significa que os dois sinais tem diferenca de fase, a chave atua para cima e para baixo gerando assim um sinal de controle. Se os sinais tiverem mesma frequencia e fase a chave nao consegue mudar de posicao em velocidade suficiente e com isso assume uma posicao media em que o nivel nem e alto e nem baixo (circuito aberto). Veja que, neste tipo de detector se os sinais estiverem em fase nao ha sinal de saida, e assim nao ha sinal residual quando ele trava. Para o filtro passa-baixas, a chave atua como um circuito de carga e descarga do capacitor. O filtro atua de maneira semelhante a um circuito de amostragem e retencao (
sample and hold
). Outro ponto importante e que a faixa de captura nao depende do filtro passa baixas. A desvantagem deste detector de fase esta na possibilidade dele ser enganado por ruidos no sinal, quando ele apresenta oscilacoes. Isso pode levar o circuito a gerar varias transicoes indevidas. Sinais livres de ruidos devem ser usados com PLLs que possuam este tipo de detector de fase.
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Sem sinal de entrada, a tensao de erro e nula e a frequencia do sinal na saida e determinada apenas pelas caracteristicas do VCO e ficara num valor central. Se aplicarmos na entrada deste circuito um sinal de frequencia
f
, o detector de fase entrara em acao e comparara a frequencia deste sinal com a frequencia do VCO que e aplicada a entrada. Supondo que os sinais tenham frequencias diferentes, o detector de fase vai gerar um sinal diferenca
(f - fo)
o qual sera aplicado ao filtro. O resultado e que como esta frequencia e relativamente baixa, ao ser aplicada ao filtro e criada uma tensao que oscila sensivelmente atuando sobre o VCO, que opera numa frequencia fixa determinada pelos componentes externos destinados a esta finalidade. Esta e denominada
frequencia livre de oscilacao
. Quando aplicamos um sinal na entrada do circuito, o comparador de fase recebe este sinal e compara sua fase com a do sinal que esta sendo gerado pelo VCO, gerando uma tensao de erro, que sera proporcional a diferenca que existe entre a fase e a frequencia dos dois sinais. A tensao sera tanto maior quanto mais afastados em frequencia e fase estiverem os sinais. Esta tensao, depois de filtrada e amplificada e levada ao terminal de controle do VCO. O resultado e que esta tensao obriga o oscilador a alterar sua frequencia de tal forma a se aproximar da frequencia do sinal de entrada, ou seja, no sentido de reduzir o erro.
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A reacao do VCO a este
ripple
ou ondulacao aplicada a partir do oscilador e uma mudanca de frequencia que justamente tende a fazer com que sua saida se aproxime da frequencia do sinal de entrada. No momento em que as frequencias se igualam o
ripple
desaparece e a tensao na saida do filtro passa-baixas se estabiliza
travando
o VCO justamente na frequencia e entrada, ou seja, o oscilador capturou o sinal ou
travou
o sinal reconhecendo sua frequencia.
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Filtro passa-baixas
Este filtro tem duas funcoes: proporcionar um sinal que e uma tensao cujo valor medio corresponde a diferenca de fase dos sinais e determinar a velocidade segundo a qual a frequencia do VCO muda. Como a velocidade segundo o qual ele atua sobre o VCO e um fator importante para determinar a imunidade ao ruido presente no sinal de entrada, nos projetos de PLLs os componentes associados ao filtro devem ser escolhidos com o maximo de cuidado. Ele se encarrega de impedir que o sinal soma apareca, de modo que a tensao de erro gerada na saida depende apenas do sinal diferenca. Assim, se as frequencias dos sinais se igualam, temos na saida uma tensao continua, ja que a diferenca entre as frequencias e nula. A tensao continua nao e levada em conta pelo circuito. Com o deslocamento da frequencia do VCO em determinado momento consegue-se a sincronizacao dos circuitos, ou seja, o VCO passa a operar sincronizado com o circuito externo. Mesmo que o sinal de entrada volte a variar, o circuito gera novo sinal de erro e o VCO consegue corrigir sua frequencia de modo a obter uma nova sincronizacao. Existe um limite para a faixa de frequencias em que o VCO pode acompanhar os sinais externos. Temos entao uma faixa de retencao ou
lock range
dentro da qual podemos fazer com que o VCO acompanhe qualquer variacao de frequencia e fase do sinal de entrada, Outra faixa importante de operacao do PLL e a de frequencias que podem ser aplicadas na sua entrada e ser obtido o sincronismo do VCO. E denominada faixa de captura ou
capture range
. Esta faixa nao pode ser mais ampla que a faixa de retencao para qualquer PLL, caso contrario, a diferenca pode ser uma frequencia alta demais para passar pelo filtro e o sistema nao funciona. Nao teremos uma tensao de saida para atuar sobre o VCO. Isso significa que existe uma faixa bem determinada de frequencias, em torno da qual o VCO opera em o circuito pode atuar, travando.
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Ela pode ser definida como aquela que tem por centro a frequencia livre de oscilacao do VCO e dentro da qual o PLL pode entrar em sincronismo com o sinal de entrada. Esta banda esta dentro da faixa de retencao que e diferente. E tambem como a faixa com centro na frequencia livre de oscilacao do VCO em que o circuito pode acompanhar a frequencia de entrada.
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O filtro passa-baixas e um elemento fundamental. Se ele for muito seletivo, restringira a faixa de captura e reduzira a velocidade de operacao do circuito, tornando muito dificil para o PLL reter o sinal. Por outro lado, ele nao deve ser pouco seletivo, pois isso reduziria sua imunidade aos ruidos. O circuito precisa de alguns ciclos do sinal de entrada para poder reconhece-lo. Com pouca seletividade, uns poucos pulsos de ruido poderiam ser confundidos com o sinal, levando o PLL a tentar sincronizar-se com eles.
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VCO
O sinal deste filtro serve para controlar a frequencia deste bloco que consiste num oscilador controlado por tensao ou VCO (
Voltage Controlled Oscillator
). Este circuito gera um sinal cuja frequencia pode ser deslocada dentro de uma faixa de valores a partir da tensao aplicada na sua entrada. O sinal deste oscilador e aplicado a entrada atraves de um elo (
loop
) ou malha de realimentacao.
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Frequencia central (fo)
Na maioria dos casos, a fixacao de frequencia livre de oscilacao ou frequencia central e obtida com a ligacao de um ou mais componentes externos de valores apropriados, normalmente um capacitor e um resistor. Qualquer um deles pode ser do tipo ajustavel para permitir a escolha de modo simples da frequencia de operacao do circuito, ou seja, do sinal que deve ser reconhecido. O uso de componentes RC normalmente limita a faixa de operacao dos principais tipos a algumas centenas de quilohertz, mas existem tipos que usam circuitos LC e que podem ser usados em frequencias mais elevadas. Os valores tipicos para os PLLs comuns de frequencias maximas de retencao sao:
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Faixa de retencao
Em qualquer projeto que use um PLL e imprescindivel saber a largura da faixa de retencao, ou seja, quais sao os limites da faixa de frequencia que podem ser aplicados a entrada do circuito, resultando na sua sincronizacao. Esta faixa e determinada pela capacidade do VCO em variar sua frequencia de oscilacao. Com frequencias fora deste limite, o VCO nao consegue acompanhar as variacoes e o sincronismo nao e alcancado.
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Nos
datasheets
de integrados PLL esta faixa normalmente e indicada por uma porcentagem em relacao a frequencia central de oscilacao do VCO, podendo ficar entre 10% e 60%. Assim, para o 567, que possui uma faixa de 14%, o VCO acompanha variacoes de frequencia do sinal de entrada entre 7% a mais e a menos em relacao a frequencia central de oscilacao.
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Para a retencao, os sinais de entrada devem ter uma intensidade minima, que e dada pela amplitude pico a pico ou de pico do sinal de entrada e pode variar entre 100 μV e 200 mV. Para o integrado 567, a entrada minima para que ocorra a retencao e de 20 mV. Tipos mais sensiveis podem operar com sinais de 120 μV de intensidade minima de entrada.
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Faixa de captura
E a diferenca entre a frequencia mais alta e a frequencia mais baixa, em torno de
fo
(frequencia central do VCO) que pode ser capturada. Ela esta diretamente relacionada com a seletividade do filtro passa-baixas usado no circuito de um PLL. Se o filtro tiver uma constante de tempo muito grande, o
efeito memoria
do PLL aumenta, ou seja, o circuito demora mais para reconhecer o sinal de entrada. Sao necessarios mais ciclos do sinal de entrada ate que a tensao de erro do comparador que corresponda a diferenca entre este sinal e o gerado pelo VCO apareca na saida. Por outro lado, uma constante de tempo maior para o filtro passa-baixas significa uma imunidade maior a transientes e ruidos. Normalmente os ruidos e transientes tem um ou poucos pulsos que podem burlar o circuito, nao havendo tempo para que a tensao de erro que leve o VCO a mudar sua frequencia seja gerada. Outro problema causado por uma constante de tempo maior e que a faixa de captura fica reduzida, significando uma limitacao no uso do PLL.
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O PLL e muito utilizado em regeneradores de sinais, demoduladores de FM, intercomunicadores de escritorio, babas eletronicas, acionadores seletivos, circuito de sintonia de radios AM e sintetizadores de frequencias de equipamentos de comunicacoes, entre outros. Usando divisores de frequencias digitais e PLLs, e possivel sintetizar qualquer frequencia a partir de um oscilador de frequencia fixa. Tipos especiais podem ser encontrados para aplicacoes em frequencias elevadas, mas seu funcionamento e modo de uso nao se alteram.
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Referencias