Criado em 1932 por um grupo de físicos britânicos, o PLL (Phase Locked Loop) consiste num dos circuitos mais importantes da Eletrônica atual. Usado em aplicações como filtros de som, decodificação de sinais de FM, telefonia celular, sintonia de equipamentos de telecomunicações, o PLL reúne numa configuração simples recursos engenhosos que podem ser aplicados em muitos outros projetos. Neste artigo analisaremos o funcionamento do PLL, assunto de grande importância para todos os que trabalham com Eletrônica.
PLL é a abreviação de Phase Locked Loop cuja tradução para o português é motivo de muitas controvérsias.
Na verdade, não existe uma boa tradução para o termo e coisas como “elo por realimentação de fase" ou ainda, "circuito com realimentação travado por fase” e semelhantes têm sido encontradas em muitos documentos.
Assim, deixamos por conta do leitor dar o nome que desejar, depois de explicarmos como ele funciona.
Para nós e para uma grande maioria, o melhor mesmo é continuar a chamá-lo simplesmente de PLL.
Se bem que existam diversas configurações possíveis para o PLL, muitas das quais disponíveis na forma de circuitos integrados, em nossas explicações partiremos de um tipo básico.
As variações com recursos adicionais disponíveis em cada circuito integrado específico devem ser estudadas a partir dos próprios manuais.
COMO FUNCIONA
Na figura 1 temos a estrutura em blocos de um PLL, que consiste basicamente num sistema de realimentação com quatro elementos funcionais: detector ou comparador de fase, filtro passa-baixas, um amplificador de erro e um oscilador controlado por tensão (VCO ou Voltage Controlled Oscillator).
Analisemos como funciona este circuito.
Sem sinal de entrada, a tensão de erro é nula e o oscilador controlado por tensão (VCO) opera numa frequência fixa determinada pelos componentes externos destinados a esta finalidade.
Esta é denominada “frequência livre de oscilação". Quando aplicamos um sinal na entrada do circuito, o comparador de fase recebe este sinal e compara sua fase com a do sinal que está sendo gerado pelo oscilador controlado por tensão (VCO), gerando uma tensão de erro.
Esta tensão de erro (Ve) será proporcional à diferença que existe entre a fase e a frequência dos dois sinais.
Em outras palavras, a tensão será tanto maior quanto mais afastados em frequência e fase estiverem os sinais.
Esta tensão, depois de filtrada e amplificada é levada ao terminal de controle do oscilador controlado por tensão (VCO). O resultado é que esta tensão força o oscilador a alterar sua frequência de tal forma a se aproximar da frequência do sinal de entrada, ou seja, no sentido de reduzir o erro.
Na verdade, o comparador funciona como um misturador onde os sinais de entrada e do VCO são combinados de modo a ser obtido o sinal soma e o sinal diferença.
O filtro passa-baixas se encarrega de impedir que o sinal soma apareça, de modo que a tensão de erro gerada na saída depende apenas do sinal diferença.
Assim, se as frequências dos sinais se igualam, temos na saída uma tensão contínua, já que a diferença entre as frequências é nula.
A tensão continua não é levada em conta pelo circuito.
Com o deslocamento da frequência do VCO em determinado momento consegue-se a sincronização 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 frequência de modo a obter uma nova sincronização.
É claro que existe um limite para a faixa de frequências em que o VCO pode acompanhar os sinais externos.
Temos então uma "faixa de retenção" ou "lock range" dentro da qual podemos fazer com que o VCO acompanhe qualquer variação de frequência e fase do sinal de entrada, figura 2.
Uma outra faixa importante de operação do PLL é a de frequências que podem ser aplicadas na sua entrada e ser obtido o sincronismo do VCO.
Esta faixa é denominada “faixa de captura" ou "capture range".
É evidente que a faixa de captura não pode ser mais ampla que a faixa de retenção para qualquer PLL.
Veja que a faixa de captura pode ser definida como aquela que tem por centro a frequência livre de oscilação do VCO e dentro da qual o PLL pode entrar em sincronismo com o sinal de entrada.
Esta faixa está dentro da faixa de retenção que é diferente.
Ela pode ser definida como a faixa com centro na frequência livre de oscilação do VCO em que o circuito pode acompanhar a frequência de entrada.
O filtro passa-baixas é um elemento muito importante deste tipo de circuito.
Se ele for muito seletivo, restringirá a faixa de captura e reduzirá a velocidade de operação do circuito, tornando muito difícil para o PLL reter o sinal.
Por outro lado, ele não deve ser pouco seletivo, pois isso reduziria sua imunidade aos ruídos.
O circuito precisa de alguns ciclos do sinal de entrada para poder "reconhecê-lo".
Com pouca seletividade, uns poucos pulsos de ruído poderiam ser "confundidos" com o sinal, levando o PLL a tentar sincronizar-se com eles.
CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS
Os PLLs possuem diversas características que levam a possibilidades e limitações que devem ser consideradas quando pretendemos fazer uso deste tipo de circuito em projetos.
a) Frequência central
Na maioria dos casos, a fixação de frequência livre de oscilação ou frequência central é conseguida com a ligação de um ou mais componentes externos de valores apropriados, normalmente um capacitor e um resistor, figura 3.
Um desses componentes pode ser do tipo ajustável para permitir a escolha de modo simples da frequência de operação do circuito, ou seja, do sinal que deve ser reconhecido.
O uso de componentes RC na determinação desta frequência normalmente limita a faixa de operação dos principais tipos a algumas centenas de quilohertz, mas existem tipos que usam circuitos LC e que podem ser usados em frequências muito mais altas.
Os valores típicos para os PLLs comuns de frequências máximas de retenção são:
560 = 15 MHz
561 = 15 MHZ
562 = 15 MHZ
565 = 500 kHz
567 = 100 kHz
b) Faixa de Retenção
Em qualquer projeto que use um PLL é muito importante saber a largura da faixa de retenção, ou seja, quais são os limites da faixa de frequência que podem ser aplicados à entrada do circuito, resultando na sua sincronização.
Esta faixa é determinada pela capacidade do VCO em variar sua frequência de oscilação.
Com frequências fora deste limite, o VCO não consegue acompanhar as variações e o sincronismo não é alcançado.
Nos manuais de circuitos integrados PLL esta faixa normalmente é especificada por uma porcentagem em relação à frequência central de oscilação do VCO, podendo ficar tipicamente entre 10% e 60%.
Assim, para o 565, que possui uma faixa de 60%, isso significa que o VCO acompanha variações de frequência do sinal de entrada entre 30% a mais e a menos em relação à frequência central de oscilação.
Na figura 4 mostramos uma curva característica de transferência tensão x frequência de um PLL.
É importante observar que para a retenção, os sinais de entrada devem ter uma intensidade mínima.
Esta intensidade é dada pela amplitude pico a pico ou de pico do sinal de entrada e pode variar entre 100 uV até 20 mV.
Para o conhecido 567, a entrada mínima para que ocorra a retenção é uma tensão de 20 mV.
Tipos mais sensíveis como o 560 podem operar com sinais de 120 uV de intensidade mínima de entrada.
c) Faixa de captura
A faixa de captura está diretamente relacionada com a seletividade do filtro passa-baixas usado no circuito de um PLL.
Se o filtro passa-baixas tiver uma constante de tempo muito grande, o “efeito memória" do PLL aumenta, ou seja, o circuito demora mais para reconhecer o sinal de entrada.
São necessários mais ciclos do sinal de entrada até que a tensão de erro do comparador que corresponda à diferença entre este sinal e o gerado pelo VCO apareça na saída.
Por outro lado, uma constante de tempo maior para o filtro passa-baixas significa uma imunidade maior a transientes e ruídos.
Normalmente os ruídos e transientes têm um ou poucos pulsos que podem “enganar” o circuito, não havendo tempo, portanto, para que a tensão de erro que leve o VCO a mudar sua frequência seja gerada.
Outro problema causado por uma constante de tempo maior é que a faixa de captura fica reduzida, o que pode significar uma limitação no uso do PLL.
O projetista deve encontrar uma constante de tempo para o filtro passa-baixas que lhe dê o melhor compromisso entre a faixa de captura conveniente e a imunidade aos ruídos.
Os PLLs da Família 56x e Outros
A Philips Components, National Semiconductor, Signetics e muitos outros fabricantes de componentes eletrônicos possuem na sua linha de produtos PLLs de uso geral que podem ser empregados numa infinidade de aplicações práticas, muitas das quais usadas em nossos projetos.
A família 56X é uma das mais conhecidas, encontrando no 567 o componente mais popular para projetos simples.
Por outro lado, temos PLLs da família CMOS como o 4046 que, entretanto, têm custo mais elevado, sendo usado apenas em projetos mais específicos. Já abordamos o funcionamento destes circuitos integrados em artigos de nosso site que podem ser consultados pelos leitores.
Os PLLs da família 56X, conforme tabela deste mesmo artigo podem ser usados em frequências que vão desde 100 kHz até mais de 15 MHz.
Se bem que os tipos indicados para frequências até 15 MHz possam chegar em alguns momentos até 30 MHz, isto não é recomendável, pois eles se tornam extremamente instáveis.
As faixas de tensões de alimentação desses circuitos com suas faixas de retenção são as seguintes:
560 - 15% - 16-26 V
561 - 15% - 16-26 V
562 - 15% - 16-26 V
565 - 60% - 10-26 V
567 - 12% - 4-10 V
APLICAÇÕES
a) Demodulação de FM
Uma aplicação importante dos PLLs é como demodulador de sinais modulados em frequência.
Na figura 5 temos uma aplicação deste circuito usando o conhecido 567.
Neste circuito, o PLL é sintonizado através do VCO para a frequência central do sinal modulado em frequência.
Isso é feito pelo ajuste de um trimpot, já que no caso do PLL 567, a frequência livre de oscilação é determinada por um circuito RC.
A vantagem deste sistema é que os componentes não são críticos, pois a seletividade do circuito pode ser facilmente controlada por meio da escolha apropriada de outros componentes e, além disso, existe a possibilidade de ser realizado o ajuste fino de frequência pelo trimpot.
Os capacitores externos adicionais correspondem ao filtro passa-baixas que controla a faixa de captura ou seletividade do circuito.
O valor deste componente depende da aplicação e informações adicionais podem ser obtidas no próprio manual do componente.
Quando o sinal modulado em frequência é aplicado ao circuito, a tensão de erro corresponde justamente ao desvio da frequência do sinal que ocorre na modulação em frequência.
Desta forma, a própria tensão de erro corresponde à modulação, sendo disponível num dos pinos do componente.
Este circuito pode ser usado, por exemplo, num intercomunicador via rede de energia.
Um sinal modulado em frequência, em torno de 50 kHz é aplicado na própria tensão da rede de energia.
Este sinal chega até o receptor que contém na sua entrada um PLL como o 567.
Uma vez reconhecida a frequência deste sinal (portador), é feita a detecção, obtendo-se na sua saída o sinal de áudio que corresponde à modulação, conforme sugere a figura 6.
No site pode ser encontrado um projeto completo de intercomunicador via rede de energia usando exatamente esta configuração como base.
A saída do circuito, que é o indicador de captura, pode também ser usada para acionar um LED indicador de que a sintonia do circuito ocorreu.
Urna outra aplicação para um circuito deste tipo é mostrada na figura 7 e consiste num demodulador de FM usado num receptor comum, operando, portanto, numa frequência muito mais alta.
Este circuito usa um PLL 560 e a sintonia é feita por um trimmer, já que a faixa de frequências aqui é bem mais alta.
Este circuito trabalha com o sinal de frequência intermediária de um receptor de FM, sendo mostrada esta etapa no próprio circuito.
b) Acionador Seletivo
O fato de um circuito PLL reconhecer um sinal de determinada frequência, “travando” em sua presença, permite que ele seja usado como acionador seletivo.
Na figura 8 temos um exemplo de um circuito encontrado em muitos controles remotos.
O PLL é sintonizado de modo a reconhecer a frequência de um determinado tom que será gerado no transmissor e que pode ser enviado tanto modulando uma portadora de alta frequência, como modulando um feixe de infravermelhos de um LED.
O receptor recebe este tom e aplica-o a um conjunto de PLLs, cada qual sintonizado para uma frequência diferente, conforme a figura 9.
Somente o PLL sintonizado para o tom enviado é que o reconhece, “travando" e com isso fornecendo um sinal na sua saída.
Este sinal de saída pode ser usado para acionar um relé ou outro dispositivo de potência que controle a função desejada.
Um conjunto de 2 ou mais PLLs pode ser usado num circuito mais elaborado capaz de reconhecer uma sequência de tons.
Desta forma, como nos sistemas de rádio-chamada (bip) é possível combinar três tons numa grande quantidade de frequências, o que possibilita a utilização de um único canal para acessar uma grande quantidade de aparelhos de modo seletivo.
Em outras palavras, somente o receptor que tiver seus três PLLs sintonizados em sequência para os três tons enviados é que responderá ao sinal e receberá a mensagem a ser transmitida ao usuário, veja a figura 10 como isso funciona.
Em artigo focalizando os usos do PLL 567, no site, apresentamos o modo de fazer sua ligação em circuitos reconhecedores de tons em sequência para este tipo de aplicação.
c) Receptor AM
Os PLLs como o NE561 também podem ser usados como base do circuito de sintonia de um receptor AM, conforme mostra a figura 11.
Os capacitores deste circuito devem ser selecionados de acordo com a frequência do sinal de modo a apresentarem o mínimo de impedância.
O receptor mostrado na figura 11 é para a faixa de ondas médias, sintonizando frequências entre 550 kHz e 1600 kHz.
Veja que a grande vantagem deste tipo de circuito é o não uso de bobinas, já que a sintonia é feita por um potenciômetro comum.
O sinal obtido na saída demodulada deve ser aplicado a um amplificador de áudio com potência de acordo com o uso pretendido.
d) Outros usos
Além dos usos indicados, os PLLs também são muito utilizados nos circuitos sintetizadores de frequências de equipamentos de comunicações.
Usando divisores de frequências digitais e PLLs, é possível sintetizar qualquer frequência a partir de um oscilador de frequência fixa.
CONCLUSÃO
Conhecendo bem o princípio de funcionamento dos PLLs e as características dos principais tipos que se encontram disponíveis no mercado, o projetista tem a possibilidade de desenvolver muitos trabalhos interessantes.
Sugerimos que os leitores procurem se familiarizar em especial com as características de PLLs comuns como o 567 e o 4046 CMOS.
