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Malha de captura de fase

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PLL1


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, [ 1 ] [ 2 ] e a tecnica difundiu-se. Alguns anos depois, a RCA introduziu o CD4046 [ 3 ] de tecnologia CMOS , que tambem se tornou popular.

Descricao [ editar | editar codigo-fonte ]

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 ). [ 4 ]

Detector ou comparador de fase

Existem dois tipos diferentes de detectores de fase nos PLLs comuns: tipo I e tipo II. [ 5 ]

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. [ 5 ]

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. [ 5 ]

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. [ 4 ] 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. [ 5 ]

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. [ 4 ]

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. [ 4 ]

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. [ 4 ]

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. [ 5 ]

Caracteristicas [ editar | editar codigo-fonte ]

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: [ 4 ]

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. [ 4 ]

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. [ 4 ]

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. [ 4 ]

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. [ 4 ]

Usos [ editar | editar codigo-fonte ]

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. [ 4 ]

Referencias

  1. a b ≪NE565 Datasheet≫ . alldatasheeet.com  
  2. Signetics Linear Vol. 1 . [S.l.]: Signetics Corporation. 1972. p. 209  
  3. ≪CD4046 Datasheet≫ (PDF) . Texas Instruments . 2003  
  4. a b c d e f g h i j k Braga, Newton C. (2020). Como Funciona Volume 3 (PDF) . Sao Paulo: Instituto NCB. pp. 124 a 138  
  5. a b c d e Braga, Newton C. (2021). Como Funciona Volume 10 (PDF) . Sao Paulo: Instituto NCB. pp. 88 a 99  
  6. ≪NE564 Datasheet Philips (1994)≫ . alldatasheet.com  
  7. ≪NE567 Datasheet Philips (1992)≫ . alldatasheeet.com  
  8. ≪4046 CMOS Datasheet Philips (1995)≫ . alldatasheet.com  


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