Los lazos de seguimiento de fase, bucles de enganche de fase, o PLL (del inglés Phase-Locked Loops) son dispositivos muy populares en electrónica desde la década de los años 1960. Se trata de un sistema realimentado, en el que las magnitudes realimentadas son la frecuencia y la fase.
La primera vez que se usaron PLL fue en la década de los 60 cuando la NASA los aplicó para compensar las variaciones de frecuencia que sufrían las transmisiones desde sus satélites debido a inestabilidades de los componentes y al efecto Doppler.
Los circuitos con PLL son analizados de dos formas distintas:
Análisis lineal, donde se consideran todos los componentes lineales y el PLL está inicialmente enganchado.
Análisis no lineal
Otro tipo de análisis en el cual se tomen en cuenta todos los dispositivos de la forma en que son, ya sean lineales o no.
Márgenes de funcionamiento
Definen las condiciones en las que el PLL estará enganchado, cuanto le costará conseguirlo y en cuales se desenganchará.
Hold in o Rango de Bloqueo
Se parte del PLL enganchado. Es el margen de frecuencias para las que el PLL puede seguir a la entrada para variaciones muy lentas de ésta.PLL.
Pull out
Es el margen de frecuencias para las que ante un salto brusco de la frecuencia de entrada el PLL no se desengancha.
Lock in
Se parte del PLL desenganchado. Es el margen de frecuencias en el que el PLL puede engancharse en menos de un periodo de la frecuencia de la señal de salida.
Pull in o Rango de Captura
Es el margen de frecuencia para las que el PLL puede, con un tiempo mayor al periodo de la salida, llegar a engancharse.
Aplicaciones
- Demodulación de señales en FM y FSK, también se aplican en demodulaciones QPSK (una de las configuraciones es el bucle de costas).
- Filtros de seguimiento.
- Osciladores muy estables.
- Modulación y demodulación de señales en FM.
- Sintetizadores de frecuencia
En la imagen anterior se muestran estos márgenes de frecuencia. Todos se representan alrededor de la frecuencia de oscilación libre del VCO, que es la frecuencia central (fc).
En la figura, se puede observar que el pll está formado por 3 elementos básicos: un comparador de fase o detector, un filtro paso bajo ( low pass ), y un oscilador de frecuencia controlado por voltaje ( VCO - Voltage Controlled Oscilator ). DETECTOR DE FASE. Compara la fase de la señal de entrada del VCO y genera un voltaje de salida que es proporcional a la diferencia de fase entre las dos. Si no se aplica señal de entrada al circuito , el oscilador controlado por tensión operará aa una frecuencia que se denomina como central o frecuenica propia. Siendo este el caso, el detector de fase no dará señal de error a su salida y no se aplicará por tanto tensión de control al oscilador por la lñinea de realimentación de error.
Cuando hay señal de error, efecto causado por una señal de entrada con fase instantánea distinta a la fase instanténea de la frecuencia central del VCO, el voltaje de salida del detector es trasladado al filtro paso bajo para suprimirle el ruido y todo componente de alata frecuencia. Toda vez que está filtrado se hace llegar al oscilador, de forma tal que éste tienda a reducir la diferencia de fase entre las dos señales, aumentando o disminuyendo su frecuencia de oscilación ( en general , la tensión de error puede ser tanto positiva como negativa, esto segun la señal que adelante a la otra ).
Cabe mencionar que el proceso antes descrito se repite infinidad de veces hasta que el voltaje de control, o sea la señal de error, haga que la frecuencia del VCO se estabilice en un punto igual al promedio de la frecuencia de la señal de entrada al circuito. En este momento el LOOP (círculo o anillo viscoso ) es LOCKED ( fijado, quieto, estacionado ).
v Si la freduencia de la señal de entrada es suficientemente cercana a la frecuencia central del PLL, el oscilador local quedará quedará enclavado en frecuencia con la señal de entrada
( LOCKED ), pero generalmente siempre existirá una pequeña diferencia de fase entre ambas para mantener la tensión de error suficiente y obligar al oscilador local VCO a operar a esa frecuencia.
El circuito de realimentación de un PLL se encarga de mantener automáticamente la frecuencia del oscilador en consonancia con la freduenica de entrada. Sin embargo, para que esto se lleve a cabo, la señal de entrada tiene que poseer una frecuencia comprendida dentro de un cierto margen, a la izquierda y a la derecha de la frecuencia central, denominada gama de mantenimiento o de enclavamiento.La gama de frecuencias de mantenimiento viene limitada por la tensión máxima de control que pueda generar el circuito detector de fase, ya que de su valor depende la gama de frecuencias de funcionamiento ( Operating frecuency ) del oscilador controlado por voltaje.
v Esta gama de frecuencias de mantenimiento puede ser varias veces superior al ancho de banda de las señales aceptadas a la entrada por el PLL, de manera que el oscilador local podrá seguir las variaciones de frecuencia de la señal de entrada, conservando un ancho de banda limitado y con muy bajo nivel de ruido, sea, señales parásitas muy reducidas. Este ancho de banda limitado es resultado de la pequeña diferencia que tiende a haber entre la señal de VCO_ y la señal de entrada.
GAMA DE CAPTURA: Se refiere a la gama de frecuencias de entrada que pueden provocar el enclavamiento inicial del PLL a partir de su estado de reposo, o frecuencia típica del VCO cuando no hay señal de entrada. Esta gma de captura es menor que la de enclavamiento, pero de ninguna forma puede ser mayor. De alguna forma la gama de captura define la máxima diferencia de la señal incidente y la central del VCO en el PLL para provocar en enclavamiento.
GAMA DE ENCLAVAMIENTO:Se refiere a la máxima desviación tolerable en la señal de entrada sin que el oscilador local pierda su enclavamiento.
FILTRO PASO BAJO: Consiste regularmente, en un resistor en serie y un capacitor a tierra en la salida, en algunos casos se necesitan circuitos más complejos. El filtro de paso bajo afecta a la gama de captura poero no a la de enclavamiento.
Si se le aplica a un PLL no enclavado una señal cuya frecuencia cambiante se aproxima constantemente a la frecuencia central del oscilador local, la frecuencia en la señal de error generada en el detector de fase disminuya hasta que pueda pasar por el filtro y variar la frecuencia del VCO, acercándolo a la frecuenica de entrad. Al disminuirse así la frecuenica entre las dos señales, la frecuencia de la señal de error baja aún más y el filtro pasa bajos la atenúa menos, con lo qaue el proceso de igualaciòn de frecuencias entre la entrada y el VCO se acelera cada vez más, llegándose ràpidamente al enclavamiento. Este efecto de captura determina la selectividad del PLL. Toda vez que el PLL está enclavado, la señal de error, consecuencia de la diferencia de fase, presenta frecuencia nula, o muy baja, y pasa sin dificultad por el filtro; es así como éste carece de influencia sobre la gama de enclavamiento ( siempre que la señal de entrada no varíe tan rápidamente que el retraso introducido por el filtro llegue aa ser importante ).
El filtro de paso bajo reduce la sensilibidad del PLL a los pulsos directos de ruido, los cuales provocan variaciones instantáneas de la señal de error procedente del comparador de fase. El filtro retarda estas variaciones por lo que su función puede considerarse en cierto modo equivalente a una memoria o corto plazo, manteniendo el enclavamiento del oscilador local con la frecuencia de entrada ( frecuencia promedio en un período corto de tiempo ) aunque esta última presente desviaciones esporádicas transitorias ( pulsos de ruido ).
El filtro de paso bajo controla básicamente la selectividad del PLL. Aunque opera a una frecuencia muy baja, sus características se reflejan en el comportamiento de alta frecuencia del circuito. De hecho un simple filtro de paso bajo puede dar al PLL una selectividad similar a la de un receptor superheterodino convencional formado por unos seis circuitos sintonizados de FI, a base de bobinas y capacitores.
Las características del filtro de paso bajo resultan de un compromiso entre la frecuencia relativamente baja de corte necesaria para el enclavamiento con la señal de entrada y la velocidad de respuesta deseable cuando esta señal de entrada varía rapidamente en frecuenica. El uso de un filtro con una frecuencia de corte muy baja implica una gama de captura estrecha y un tiempo largo para el enclavamiento final.
Se denomina frecuencia de corte al punto ideal en el cual se considera inicia la acción neutralizadora del filtro: señales con frecuencias por debajo pasan, pero las que están por encima se atenúan o se bloquean. Los PLL especialmente útiles para la recepción de señales de radio con factores señal/ruido muy bajos, ya que puede ajustarse la banda pasante a un valor prácticamente idóneo. Hay que recordar que la relación señal/ruido ( S/N ) indica la calidad de la recepción, en otras palabras, la proporción de interferencias ( ruido ) que hay presentes en la señal deseada; cuanto mas alto sea su coeficiente, más facilmente se podrán separar en un detector adecuado.
Rafael Vivas C.I 17930172
EES Sección 2
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Rafael Vivas
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