CIRCUITE CU URMARIREA FAZEI REALIZATE IN TEHNOLOGIE CMOS

CIRCUITE CU URMĂRIREA FAZEI REALIZATE ÎN TEHNOLOGIE CMOS

1. SCOPUL LUCRĂRII

Sunt prezentate circuitele PLL ( Phase-Locked-Loop ) care rezolvă într-un mod simplu o multitudine de probleme digitale sau analogice specifice sistemelor numerice sau de automatizare.

2. CONSIDERAsII TEORETICE

Schema bloc a unui circuit PLL este prezentată în figura 12.1. Datorită funcsionării în buclă închisă configurasia extrage si asigură la iesire o replică a semnalului de intrare relativ lipsită de parazisi sau, pe altă iesire, multiplii relativ neperturbasi ai semnalului de intrare. Aceasta se realizează prin compararea semnalului de intrare si a celui de reacsie cu ajutorul unui detector de fază, tensiunea filtrată trece-jos de la iesirea detectorului de fază comandând un oscilator a cărui frecvensă este controlată de tensiunea continuă.

Întrucât foloseste tensiunea continuă de la iesirea filtrului, circuitul PLL poate fi utilizat în calitate de convertor frecvensă-tensiune, indicator de acord, demodulator, detector de fază cu zgomot redus, detector de fază de bandă largă, etc.

Circuitul PLL de tipul MMC4046 realizat în tehnologie CMOS funcsionează într-o gamă largă de frecvese, oscilatorul său comandat în tensiune atingând frecvense de 1MHz. El poate fi utilizat pentru sintetizarea frecvenselor, filtrarea semnalelor.

Configurasia circuitului pune în evidensă două circuite interne separate. Primul constă în convertorul tensiune-frecvensă (VCO) cu funcsionare în gama de pînă la 1 MHz, iar al doilea în detectorul de fază cu iesiri duale. Schema circuitului MMC4046 este prezentată în figura 12.2 iar semnalele care descriu funcsionarea circuitului sunt prezentate în figura 12.3.

Demodulator MF

În figura 12.4 este arătat modul în care se conectează circuitul cu calare de fază (PLL) MMC4046 pentru a funcsiona ca un demodulator pentru semnale modulate în frecvensă.

Când un circuit PLL este legat la un semnal modulat în frecvensă, frecvensa semnalului dat de oscilatorul comandat în tensiune urmăreste frecvensa instantanee a semnalului de intrare. În acest caz semnalul de la iesirea detectorului de fază corespunde semnalului modulator.

În acest exemplu, semnalul de intrare constă dintr-o purtătoare de 10kHz modulată în frecvensă de un semnal de 400 Hz. Semnalul de intrare cu amplitudinea de 500mV se conectează printr-un condensator la intrarea comparatorului de fază I, folosit pentru că era nevoie de un PLL cu frecvensa centrală egală cu frecvensa purtătoarei.

Frecvensa centrală a oscilatorului comandat în tensiune s-a luat f₀=10kHz, impunând tensiunea de alimentare V_DD=5V si valoarea rezistensei, R₁=100k, rezultă capacitatea condensatorului C₁=500pF. Frecvensa de captură va fi:

pentru a corespunde deviasiei de frecvensă a semnalului de intrare. Cu valorile R₃=100k, C₂=100nF se obsine frecvensa f_c dată.

Dacă tensiunea de alimentare este de 5V, circuitul absoarbe un curent de 0.132mA pentru un raport semnal/zgomot al semnalului de intrare de 4dB. Consumul scade la 0.09mA dacă raportul semnal/zgomot este de 10dB. Scăderea consumului se explică prin saturarea amplificatorului de intrare pentru nivele mai mari ale semnalului de intrare. La nivele mici de semnal amplificatorul lucrează mai mult timp în regiunea de câstig ridicat a caracteristicii de transfer, când ambele tranzistoare sunt deschise.

Indicator de calare

Circuitul din figura 12.5 reprezintă o buclă cu calare de fază, căreia i s-a adăugat un circuit care semnalizează dacă bucla se sincronizează sau nu (iesirea L=1, respectiv L=0).

Un astfel de circuit poate fi util în montajele în care anumite blocuri trebuie să intre în funcsiune numai după sincronizarea buclei. Cu acest circuit se poate face si demodularea unui semnal dacă elementele buclei sunt calculate în asa fel încât o frecvensă să fie în banda de captură, iar cealaltă frecvensă în afara benzii de captură.

Circuitul lucrează cu un semnal de intrare cu frecvensele de 10kHz si 20kHz. Oscilatorul comandat în tensiune are f_min=9.5kHz si f_max=10.5kHz. Rezultă că PLL-ul se calează pe frecvensa de 10kHz si nu se calează dacă f_IN=20kHz. Când bucla se sincronizează, iesirea comparatorului de fază I este în cea mai mare parte a timpului în starea 0 (cu excepsia unor impulsuri foarte scurte rezultate din diferensa de fază inerentă dintre semnalele de pe intrările comparatorului de fază). Terminalul 1 al circuitului este în cea mai mare parte a timpului în starea 1 (cu excepsia unor impulsuri foarte scurte provenite din aceeasi diferensă de fază ca mai sus).

Indicatorul de calare detectează trecerea în starea 0 a iesirii comparatorului de fază I. Condensatorul C₃ se încarcă rapid prin dioda D la tensiunea V_DD, atunci când bucla se sincronizează. Când apar impulsuri pozitive scurte la iesirea comparatorului de fază I, iesirea porsii G₁ trece în 0 logic. În acest fel, semnalul de iesire devine activ, semnalând calarea buclei.

Sintetizoare de frecvensă

Sintetizoarele de frecvensă sunt circuite care generează semnale cu frecvensă reglabilă discret într-o bandă dată, pornind de la o frecvensă de referinsă. Ecartul de frecvensă este, de obicei, fix.

Viteza la care lucrează circuitele este dictată de lărgimea domeniului de variasie al frecvensei si nu de valoarea frecvensei. Din acest motiv, se pot folosi circuite CMOS pentru lărgimi de bandă de circa 5MHz. În figura 12.6 este prezentată schema de bază a unui sintetizor de frecvensă.

Sintetizorul este de fapt, un circuit PLL cu un divizor programabil DP în buclă, circuit atacat cu un semnal produs de generatorul de frecvensă de referinsă R. Bucla cu calare de fază consine un oscilator comandat în tensiune OCT, comparatorul de fază O si filtrul trece-jos F. Relasia între frecvensa de referinsă si frecvensa de iesire este:

f_OUT=N^.f_IN

unde N este factorul de divizare al divizorului programabil.

Un circuit de acest fel permite doar multiplicarea frecvensei de referinsă. Ecartul de frecvensă va fi f_ref. Dacă dorim un ecart mai mic, se poate folosi o schemă care să consină un divizor al frecvensei de referisă.

În figura 12.7 se poate vedea schema unui sintetizor de frecvensă în cea mai simplă formă.

Pentru o frecvensă de referinsă de 1MHz, frecvensa de iesire variază între 3kHz si 999kHz în trepte de 1kHz (în funcsie de valoarea de divizare). Divizorul de frecvensă este realizat cu un bistabil de tip D si este un divizor cu 2 care se introduce între pinii 4 si 3.

3. DESFĂsURAREA LUCRĂRII

Se va realiza circuitul din figura 12.4, figura 12.7 si se vor vizualiza semnalele pe pinii 4, 10 si 14 cu ajutorul osciloscopului.

Se va realiza circuitul din figura 12.5 si se va vizualiza modul de funcsionare al iesirii de semnalizare L.

Se va realiza realiza o schemă asemănătoare cu cea din figura 12.7 dar în care să se utilizeze un circuit divizor cu 4.

Se va realiza realiza o schemă asemănătoare cu cea din figura 12.4 în care se va aplica o tensiune continuă pe intrarea VCO si se va studia modul cum se modifică frecvensa cu modificarea tensiunii.

4. CONsINUTUL REFERATULUI

- Prezentarea sumară a caracteristicilor si a modului de utilizare a circuitelor.

- Configurasia terminalelor pentru circuitele utilizate în lucrare.

- Schemele realizate pentru verificarea funcsionării circuitelor.