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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFacultad de Electrotecnia y Computación
Docente:Alejandro A Méndez TProf. Titular Dpto. ElectrónicaFEC – [email protected]
Departamento de Electrónica
ELECTRONICA APLICADA2012
Always bear in mind that your own resolution to succeed is more important than any other one thing.Abraham Lincoln
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PLL (Phase-Locked Loop) es básicamente un sistema de control de frecuencia de lazocerrado, cuyo funcionamiento depende de la detección de la diferencia de fase entre unaseñal de entrada y la señal generada por el PLL (VCO).
Diagrama de Bloques PLL
Comparador Filtro de lazo(LPF)
OsciladorControlado por
Voltaje
fs foVd(t)Ve(t)
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DETECTOR DE FASE
En términos simples, el detector de fase es un multiplicador. Una ganancia es asociada almismo.
Supongamos que tenemos dos señales, S1(t) y S2(t). Ambas tienen la misma frecuencia peroestán desfasadas por 90º.
X (t) tsenA(t)S 111 (t) tcos(t) tsenAAK(t)S 2121d3
(t) tcosA(t)S 222
(t)(t) t2sen2
AAK(t)-(t)sen2
AAK(t)S 2121d
2121d
3
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FILTRO DE LAZO
Si ubicamos un filtro pasa bajo a la salida del multiplicador, podemos eliminar el ruido y la señal dedoble frecuencia (no deseada). El ancho de banda debe ser pequeño.
(t)-(t)sen2
AAK(t)S 2121d
e
LPFCOMPARADOR
FUENTE DESEÑAL
X
vco
S1(t)
S2(t)
S3(t)
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OSCILADOR CONTROLADO POR VOLTAJE (VCO)
El VCO produce una señal periódica, cuya frecuencia cambia de acuerdo a las señal de controlaplicada externamente.
Si la señal de error es cero entonces, el VCO produce una señal a sufrecuencia central.
Si la señal de error es diferente de cero entonces, el VCO respondecambiando su frecuencia de operación.
Una constante Ko representa la sensibilidad del VCO. Representa el cambio en la frecuenciainstantánea del VCO como una función de la amplitud de la señal de error de forma tal que:
d
oo dv
dK
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Las unidades de KO son Hertz/voltios. Dado un cierto voltaje de entrada, el VCO producirá un cambioen la frecuencia de la señal de salida de acuerdo a la siguiente ecuación:
(t) vK do io
Sabemos que para una señal periódica f(t), su frecuencia en Hz es igual a la razón de cambio de faseen 2π segmentos:
dt)(d
21(t)f i
tt
Y la fase es una integral de la frecuencia sobre un cierto periodo de tiempo:
t
0i dt(t)f2(t) i
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Un VCO lineal, baja potencia.Puede conectarse al comparadordirectamente o a través dedivisores de frecuencia.
Dos comparadores de fasediferentes, que cuentan con unamplificador comun para la señalde entrada y una entrada comúndesde el comparador.
El filtro es implementado medianteelementos externos debido a loscambios radicales de unaaplicación a otra.
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El rango de frecuencias sobre el cual el PLLpuede mantener su condición de enllavadoes conocido como “rango de enllavado” delsistema.
El rango de enllavado siempre es másgrande que la banda de frecuencias sobrela cual el PLL puede adquirir la condiciónde enllavado con la señal de entrada. Dichorango de frecuencias es definido como el“rango de captura” del sistema PLL.
CONCEPTOS IMPORTANTES
Frecuencia central, fo, frecuencia a la queoscilará el VCO cuando no hay señalexterna aplicada.
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Los primeros PLL’s fueron analógicos, pero desde los 70’s tenemos circuitos integradosdisponibles para realizar las mismas funciones en un chip. Son llamados PLL’s digitales.
Hay básicamente cuatro clases de PLLs:
El PLL lineal o analógico (LPLL)
El PLL digital (DPLL)
El PLL todo digital (ADPLL)
Software PLL (SDPLL)
El LPLL (mejor) o PLL analógico es la clásica forma del PLL. Todos los componentes en el PLLoperan en el dominio del tiempo continuo.
El detector de fase es típicamente una forma de multiplicador analógico, ya sea un mixer de doblebalanceado (DBM) o un multiplicador activo de cuatro cuadrantes.
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El PLL Digital
El PLL digital es realmente un PLL analógico con un detector de fase digital. Es realmenteun sistema hibrido y es muy popular en la síntesis de frecuencia.
Algunos tipos populares de detectores de fase digitales incluyen:
Exclusive OR gate (EXOR)
Edge-triggered JK-flipflop
Phase frequency detector (PFD)
XOR Truth Table
INPUTSOUTPUT
A B
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 0
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El APLL Digital
El PLL todo-digital (clásico todo – digital) es diferente de los dos primeros PLLsmencionados. El ADPLL es lazo digital en dos sentidos:
Todos los componentes son digitales
Todas las señales son digitales (tiempo-discreto)
El SPLL Digital
El SPLL puede se considerado como una implementación de tiempo-discreto del LPLL o delDPLL.
La implementación del filtro de lazo es, típicamente, una ecuación de diferencia
El análisis/diseño del filtro de lazo es realizado usando la transformada Z
El SPLL es factible debido a la disponibilidad de microprocesadoresorientados al procesamiento de señales digitales.
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DEMODULACIÓN DE FRECUENCIA
El ancho de banda debe ser lo suficientemente grande deforma tal que tenga la velocidad necesaria para seguir lasvariaciones en ωi . Qué tan grande debe ser el ancho debanda del PLL?
En algunas aplicaciones el PLL dese ser rápido para seguir a la fase de entrada, enotras debe ser lento. En otras palabras, el ancho de banda del PLL debe ser angosto oancho. Lo anterior es determinado por la características del detector de fase (PD), eloscilador controlado por voltaje (VCO), y el filtro de lazo.
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SINTESIS DE FRECUENCIA
Cuál es el efecto de N en el ancho de banda del PLL?Cuanto tiempo le toma al PLL cambiar la frecuencia cuandoN es cambiado? Qué limita el tamaño de N en la práctica?
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ANCHO DE BANDA DEL PLL
Característica del detector de fase
Característica del VCO
Relación entre ΔωO y θO
Cuando analizamos el ancho de banda del PLL, nos concentramos en la frecuencia a la cual θi puedevariar y todavía ser seguida razobalemente de cerca por θo.
Lo anterior también es válido para la frecuencia a la cual ωi puede variar y todavía ser seguida por ωoen el caso de FM.
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CARACTERÍSTICAS DEL DETECTOR DE FASE
V/r1.27rad
4VddvK
e
dd
Kd es la ganancia del detector de fase
Vdo es el voltaje del detector de corrida libre
22-Para
O
doedd VKv
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eddod KVv Kd ++
Vdo
θiVd
θe
-θo
Modelo del detector de fase
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CARACTERÍSTICAS DEL VCO
Ko+vc
- Vco
ΔWo
c
o
c
oo dv
ddvdK
V-vK doco o
Ko = ?
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Aunque las entradas y salidas de un PLL frecuentemente no son sinusoides puras, vamos a considerarque los son, para fines de entender mejor la notación de las fases:
vi = sin (ωit + θi)
vo = sin (ωit + θo)
Como la dimensión radianes por segundo implica, la frecuencia es la derivada con respecto al tiempode la fase, donde la fase es el argumento de la función seno. De esta forma, la frecuencia de salida delVCO es:
dtd
dt)td( o
i
oio
Δωo = ωo - ωi
Δωo = dθo / dt
θo = ∫ Δωo dt
RELACIÓN ENTRE ΔωO y θO
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ERROR ESTÁTICO DE FASE
Por definición, cuando el PLL está enllavado, la frecuencia ωo iguala a la frecuencia ωi, y Δωo es cero.El error estático de fase θeo es el valor de θe durante el enllavado. Podemos ver a partir del modelolineal del PLL que:
Δωo = Ko (Kd θe + Vdo – Vco)
Cuando el PLL está enllavado Δωo = 0 y θe = θeo y por consiguiente:
θeo = (- Vdo + Vco) /Kd
Kd Ko ∫dt+++
Modelo Lineal del PLL
Vdo - Vco
θi θoΔWovd vc
θe
-
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Kd Ko ∫dt+θi θoΔWo
vd vcθe
-
Modelo ac del PLL
θo
Forward gain G(s) = Kd Ko / s
G(jw)1G(jw)
G(s)1G(s)
i
o
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El módulo de G(s) está dado por:wKKG(jw) od
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Modelo ac del PLL (atenuador)
Kd Ko 1/s+θi θoΔWovd vc
θe
-Kh
Determinar la función de transferencia θo / θi
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Ejemplo
Un PLL tiene un VCO y un detector de fase cuyas características son las mostradas. La frecuencia deentradada es ωi = 10 Mrad/s, la cual se corresponde con un voltaje de control estático Vco = 1.0V. Lafase de la señal de entrada es modulada sinusoidalmente según la ecuación θi = 0.3 sen(ωt), dondeωm = 5 Mrad/s.
Determinar:
1. Error estático de fase, θeo
2. El ancho de banda, K
3. Amplitud de las oscilaciones de θo
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Sin atenuador, Kh = 1:
Vco = 1V vd = 1V
vd = Kd θe + Vdo
2V, de la característica
θeo = (vd – Vdo) / Kd
θeo = (1 – 2) / 1.27 V/rad
θeo = – 0.79 rad
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El ancho de banda es:
K = Kd Kh Ko = 2.55 Mrad/s
La amplitud de las oscilaciones de θo:
22 KK
K/j1K/j
)()(j
ji
o
A la frecuencia ωm = 5 Mrad/s
0.45)()(j
ji
o
La amplitud de θo = (0.45)(0.3) = 0.135 con un desfase de aproximadamente 63 grados
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Con el atenuador, Kh = 0.286:
Vco = 1V vd = 3.5V
θeo = (vd – Vdo) / Kd
θeo = (3.5 – 2) / 1.27 V/rad
θeo = 1.18 rad
vc = 0.286 vd vd = 3.5 vc
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El ancho de banda es:
K = Kd Kh Ko = 0.73 Mrad/s
La amplitud de las oscilaciones de θo:
22 KK
K/j1K/j
)()(j
ji
o
A la frecuencia ωm = 5 Mrad/s
0.14)()(j
ji
o
La amplitud de θo = (0.14)(0.3) = 0.042 con un desfase de aproximadamente 82 grados
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Modelo ac del PLL (LPF)
1
2h S
SKF(s)
02
2h RR
RK
C)R(R1
021
CR1
22
1F(0)S
F(s)KKG(s) od ohd KKKK
Válido para ω2 < K
1)RSC(R1SCRF(s)
20
2
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El resultado obtenido para el ancho de banda es a partir de la consideración de que |F(jω)| = Kh cuandoω = K. Pero |F(jω)| ≈ Kh solamente para ω > ω2. Por consiguiente, se requiere que
ω2 < K
Si ω2 es menor que K/4, entonces ω2 tiene poco efecto sobre la respuesta |θo/θi|
212
2
i
o
K)S(KSKKS
s)((s)
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Error estático de fase cuando se usa filtro de lazo
ocoodood KV-F(s)KVKF(s)K eo
Cuando el PLL está enllavado, Δωo = 0, F(s) = F(0)
F(0)KV
KV-
d
co
d
do eo
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Ejemplo
Un PLL tiene un VCO y un detector de fase cuyas características son las mostradas. La frecuencia deentradada es ωi = 12 Mrad/s. Diseñe un filtro de lazo que garantice un ancho de banda de ω3dB = 0.73Mrad/s. Determinar el error estático de fase.
Vco = 2V
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De las características del VCO y del comparador de fase:
Kd = 1.27 V/rad
Vdo = 2.0 V (free running voltage, sin señal de entrada)
Ko = 2 Mrad/s/V
Vco = 2.0 V (voltaje para el cual ωo = ωi = 12Mrad/s
Ancho de banda:
K = Kd Kh Ko = ω3dB = 0.73 Mrad/s
0.287)(2Mrad/s/Vrad/V)(1.27
Mrad/s0.73KK
Kod
3dBh
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02
2h RR
RK
Asumiendo R0 = 27K, obtenemos R2 = 10.87K
Si no usamos capacitor F(0) = 0.31:
F(0)KV
KV-
d
co
d
do eo rad3.50.31*1.27
2.01.272.0- eo
3.5 rad > π/2 = 1.57 rad
El PLL no se puede enllavar a la frecuencia de entrada
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Con el capacitor F(0) = 1:
F(0)KV
KV-
d
co
d
do eo rad01*1.27
2.01.272.0- eo
Asumiendo ω2 = K/4 = 0.1825 Mrad/s
CR1
22 pF457
d/s)(0.1825Mra(12K)1C
457pF
12K
27K
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