Ponte Completa (ALM1072)

O mesmo que ponte H. Veja mais em Ponte H (ALM629).

Neste circuito temos um bloco (que analisaremos melhor depois) cuja tensão de saída depende da diferença de fase entre dois sinais de mesma frequência aplicados à sua entrada.

Esta tensão é filtrada por um filtro passa-baixas que, nas configuração mais simples nada mais é do que um resistor e um capacitor.

O sinal deste filtro serve para controlar a frequência do bloco final que consiste num oscilador controlado por tensão ou VCO (Voltage Controlled Oscillator).

Este circuito gera um sinal cuja frequência pode ser deslocada dentro de uma faixa de valores a partir da tensão aplicada na sua entrada.

O sinal deste oscilador, conforme mostra o diagrama básico é aplicado à entrada através de um elo (loop) de realimentação.

Partindo da situação em que não existe sinal de entrada, a frequência do sinal na saída é determinada apenas pelas características do VCO e ficará num valor central.

Se aplicarmos na entrada deste circuito um sinal de frequência f, o detector de fase entrará em ação e comparará a frequência deste sinal com a frequência do VCO que é aplicada à entrada.

Supondo que os sinais tenham frequências diferentes, o detector de fase vai gerar um sinal que é a diferença das frequências (f - fo) o qual será aplicado ao filtro.

O resultado, é que como esta frequência é relativamente baixa, ao ser aplicada ao filtro é criada uma tensão que oscila sensivelmente atuando sobre o VCO.

A reação do VCO a este ripple ou ondulação aplicada a partir do VCO é uma mudança de frequência que justamente tende a fazer com que sua saída se aproxime da frequência do sinal de entrada.

No momento em que as frequências se igualam o ripple desaparece e a tensão na saída do filtro passa-baixas se estabiliza "travando" o VCO justamente na frequência e entrada.

Dizemos que o VCO capturou o sinal ou "travou" o sinal reconhecendo sua frequência.

Na figura 2 mostramos num gráfico o que ocorre

Qualquer alteração na frequência do sinal de entrada que ocorra vai gerar um novo sinal diferença na saída do detector de fase e uma mudança de tensão na saída do filtro que levará o VCO a "procurar" a nova frequência.

Na teoria, um circuito como este seria bastante simples de implementar, mas provavelmente não teria um desempenho conforme o esperado por diversos fatores que devem ser levados em consideração.

Assim, para implementação de um PLL real, precisamos ir além analisando alguns pontos importantes de seu funcionamento.

Faixa de Captura

Ao tomarmos como exemplo os blocos da figura 1, consideramos que a diferença de frequências entre o sinal de entrada e o gerado pelo VCO era suficientemente baixa para que a sua diferença pudesse passar pelo segundo bloco que é o filtro passa-baixas.

Se trabalharmos com sinais muito diferentes, a diferença pode ser uma frequência alta demais para passar pelo filtro e o sistema não funciona.

Não teremos uma tensão de saída para atuar sobre o VCO.

Isso significa que existe uma faixa bem determinada de frequências, em torno da qual o VCO opera em o circuito pode atuar, travando. Esta faixa de frequências é chamada de "faixa de captura" ou em inglês "lock range".

<div class="nota">Obs.: é interessante que o leitor se familiarize com todos os termos em inglês usados na descrição do funcionamento dos PLLs, pois eles não só são usados nas documentações originais que estão neste idioma como em muitos documentos em português que não traduzem muitos termos técnicos.</div>

A faixa de captura de um PLL é dada pela diferença entre a frequência mais alta e a frequência mais baixa, em torno de fo (frequência central do VCO) que pode ser capturada, conforme mostra a figura 3.

Nos PLLs comuns que podemos obter na forma de circuitos integrados a frequência central fo pode ser selecionada através de resistores e capacitores externos enquanto que a faixa de captura depende do tipo.

Assim, por exemplo, um CI como NE567 pode operar com um fo de até 500 kHz, capturando sinais cuja faixa de frequências em torno de fo chega a ser de até 10 para 1, ou seja, o f1 e 10 vezes menor que o f2 no gráfico da figura 3.

Detectores de Fase

Encontramos dois tipos diferentes de detectores de fase nos PLLs comuns. Estes detectores são chamados de tipo I e tipo II.

      a)    Detector de fase tipo I

O detector de fase do tipo I consiste num multiplicador de quatro quadrantes.

Para entender melhor como funciona este tipo de circuito, vamos imaginar que a na sua entrada sejam aplicados dois sinais digitais de mesma frequência, mas com uma certa diferença de fase, conforme vamos explicar a partir da figura 4.

Vamos imaginar que estes sinais sejam aplicados a uma porta Ou-Exclusivo, o que nos lev a a obter uma saída que seja formada por pulsos cuja largura corresponde justamente à diferença de fase entre os dois sinais.

Estes pulsos, conforme sua largura representam uma tensão média que justamente será proporcional a esta diferença de fase conforme mostra a curva em (b) da figura 4.

Um ponto muito interessante que podemos observar analisando esta figura é que a frequência do sinal de saída é o dobro da frequência dos sinais de entrada (conforme veremos oportunamente, esta característica permite que os PLLs sejam usados para multiplicar frequências).

O grande problema deste tipo de circuito é que ele tende a travar quando sinais de frequências múltiplas são aplicados à entrada, conforme mostra a figura 5.

Em outras palavras, este tipo de detector de fase não é capaz de diferenciar um sinal da frequência fundamental de uma harmônica, podendo travar em qualquer dos dois.

Um outro problema que também deve ser considerado é que se os sinais aplicados na entrada não tiverem um ciclo ativo próximo de 50% o detector do tipo I também não funcionará direito.

O grande positivo na operação deste tipo de circuito é a sua imunidade a ruídos na entrada.

a)    Detector de fase tipo II

Este tipo de circuito trabalha com as frontes dos sinais aplicados na entrada.

Em outras palavras, ele leva em conta o instante em que os sinais mudam de nível o que significa que eles devem trabalhar com sinais retangulares.

Podemos comparar este detector a uma chave de 1 pólo x 3 posições, conforme mostra a figura 6.

Quando o sinal de entrada tem uma transição negativa faz com que a chave seja levada para a posição de nível lógico 1 (para cima) a não ser que ela já esteja nesta posição.

Da mesma forma, uma transição negativa do sinal do VCO faz com que a chave passe para a posição de nivel lógico 0 (para baixo).

Isso significa que os dois sinais têm diferença de fase, a chave atua para cima e para baixo gerando assim um sinal de controle.

Se os sinais tiverem mesma frequência e fase a chave não consegue mudar de posição em velocidade suficiente e com isso assume uma posição média em que o nível nem é alto e nem baixo (circuitoaberto).

Veja que, neste tipo de detector se os sinais estiverem em fase não há sinal de saída, e assim não há sinal residual quando ele trava.

Também é preciso observar que, para o filtro passa-baixas a chave atua como um circuito de carga e descarga do capacitor.

O filtro, neste tipo de detector atua de maneira semelhante a um circuito de amostragem e retenção (sample and hold)

Outro ponto importante deste circuito é que a faixa de captura não depende do filtro passa baixas.

O ponto negativo deste tipo de detector de fase está na possibilidade dele ser enganado por ruídos no sinal.

Um sinal que tenha oscilações, como o mostrado na figura 7 pode levar o circuito a gerar várias transições indevidas. Sinais livre de ruídos devem ser usados com PLLs que possuam este tipo de detector de fase.

Na tabela dada a seguir temos uma comparação de desempenho dos dois tipos de detector:

Filtro Passa-Baixas

O Filtro passa baixas tem duas funções neste tipo de circuito. Ele ao mesmo tempo proporciona um sinal que é uma tensão cujo valor médio corresponde à diferença de fase dos sinais e determina a velocidade segundo a qual a frequencia do VCO muda.

Como a velocidade segundo o qual ele atua sobre o VCO é um fator importante para determinar a imunidade ao ruído presente no sinal de entrada, nos projetos de PLLs os componentes associados ao filtro devem ser escolhidos com o máximo de cuidado.

O tipo mais simples de filtro é o formado por um circuito RC, conforme mostra a figura 8 em (a). No entanto, como esta configuração mais simples não garante o melhor desempenho, costuma-se usar uma configuração um pouco mais complexa que é mostrada na mesma figura em (b).

Para maior estabilidade o valor de R2 deve ser da ordem de 1/5 do valor de R1 neste tipo de filtro. Esta regrinha é apenas uma aproximação pois existem métodos de cálculos que podem ser aplicados em casos em que se deseja uma performance muito mais próxima da ideal.