¿Qué es exactamente un bucle de bloqueo de fase?

Este artículo presenta un sistema de retroalimentación basado en la fase que desempeña un papel importante en muchas aplicaciones.

La mayoría de nosotros hemos visto la frase «bucle de bloqueo de fase» (o su abreviatura, PLL). Sin embargo, sospecho que relativamente pocos de nosotros entendemos a fondo 1) la funcionalidad interna de un PLL y 2) cómo esta funcionalidad conduce a las diversas formas en que se utilizan los PLL. Mi objetivo en este artículo es proporcionar una explicación clara e intuitiva de las características fundamentales del PLL, y continuaremos con artículos adicionales que exploren los detalles.

El término «bucle de bloqueo de fase» aparece en una variedad de contextos: microcontroladores, demoduladores de RF, módulos osciladores, comunicaciones en serie. Lo primero que hay que entender es que «PLL» no se refiere a un solo componente. Un PLL es un sistema: consta de múltiples componentes cuidadosamente diseñados e interconectados en una configuración de retroalimentación negativa. Es cierto que los PLL se venden como un único circuito integrado, y por lo tanto sería natural pensar en ellos como un «componente», pero no deje que esto le distraiga del hecho de que los PLL son análogos a (por ejemplo) un elaborado circuito amplificador basado en un op-amp, no a un op-amp en sí.

PLL ≥ PD + LPF + VCO

Empecemos con un diagrama:

Esto es lo más básico que puede ser un PLL. Vamos a discutir los tres componentes esenciales.

• Un detector de fase no es (por desgracia) realmente un detector de fase, pero esa es la terminología estándar. El detector de fase en un PLL es en realidad un detector de diferencia de fase, es decir, acepta dos señales de entrada periódicas y produce una señal de salida que representa la diferencia de fase entre las dos entradas.
• La salida del detector de fase no es una señal analógica directa que es proporcional a la diferencia de fase. La señal analógica directa está en alguna parte, pero está combinada con contenido de alta frecuencia que hace que la señal tenga un aspecto muy diferente del que cabría esperar. De ahí el filtro de paso bajo: suprime los componentes de alta frecuencia y transforma la salida del detector de fase en algo que puede controlar un VCO.
• El oscilador controlado por tensión es, lo has adivinado, un oscilador controlado por una tensión. Más específicamente, la frecuencia de la señal periódica generada por el oscilador es controlada por un voltaje. Así que el VCO es un oscilador de frecuencia variable que permite que un voltaje externo influya en su frecuencia de oscilación. En el caso de un PLL, el voltaje de control es una señal de detector de fase con filtro de paso bajo.

Formas de onda

Antes de hablar de la acción de retroalimentación negativa, vamos a trasladar esta discusión al ámbito práctico. Vamos a ver algunas formas de onda producidas por un PLL digital. Puede que te imagines un PLL como un sistema principalmente analógico, y eso está bien, pero experimentar con un sistema digital es (en mi opinión) más sencillo. Lo esencial es tener en cuenta que los mismos conceptos se aplican tanto a las implementaciones analógicas como a las digitales. Si entiendes lo que ocurre con estas formas de onda digitales, entenderás las señales PLL en general.

En un PLL digital, todo lo que necesitas para el detector de fase es una puerta XOR. Como sabes, una puerta XOR produce una salida lógica-alta sólo cuando las dos entradas son diferentes. Si extiende este comportamiento a una situación en la que ambas entradas son ondas cuadradas, el XOR se convierte en un «detector de fuera de fase»:



Estas dos ondas cuadradas tienen una pequeña diferencia de fase, y en consecuencia están en diferentes estados lógicos durante una pequeña porción del ciclo. Cuando los estados lógicos son diferentes, la salida XOR es alta. Si la diferencia de fase es mayor, la salida XOR pasa más tiempo en estado lógico alto:

Así es como una puerta XOR funciona como un detector de fase: A medida que la diferencia de fase aumenta, la salida pasa una mayor parte del ciclo en lógico alto. En otras palabras, el ciclo de trabajo, y por tanto el valor medio, de la salida XOR es proporcional a la diferencia de fase.

El siguiente paso es utilizar este valor medio como señal de control para el VCO, y aquí es donde entra el filtro de paso bajo:



El trazo verde, que es el valor promedio con un poco de ondulación, se produce al pasar la señal del detector de fase a través de un simple filtro RC de paso bajo (puede reconocer esta técnica si ha utilizado un «PWM DAC», que es un convertidor digital-analógico que funciona filtrando de paso bajo una señal modulada por el ancho de pulso). La traza está etiquetada como «ctrl» porque esta es la señal que podemos utilizar para controlar (es decir, variar la frecuencia de) el VCO.

Cerrando el bucle

Los PLLs se pueden utilizar de varias maneras inteligentes, pero la funcionalidad fundamental es «bloquear» la frecuencia de salida a la frecuencia de entrada. (También bloquean la fase de salida a la fase de entrada, como se puede esperar del nombre «bucle de bloqueo de fase», pero es un tipo diferente de bloqueo). La acción de bloqueo es posible gracias a la retroalimentación negativa, es decir, dirigiendo la señal de salida de vuelta al detector de fase (como se muestra en el diagrama anterior).

En mi experiencia, tratar de entender a fondo el proceso exacto por el cual un PLL bloquea la frecuencia de salida a la frecuencia de entrada es como tratar de agarrar un pedazo de niebla y sostenerlo en la mano. Está ahí delante de ti, y sabes que es real, y sabes más o menos lo que es, pero se escapa cuando realmente intentas observarlo y comprenderlo. Hablaremos de este proceso en un próximo artículo. Por ahora, te dejaré con algunos puntos importantes que te ayudarán a reflexionar sobre esta interesante funcionalidad.

• El detector de fase producirá un ciclo de trabajo constante (y por tanto un valor medio constante) sólo cuando las dos frecuencias de entrada sean iguales (como en los ejemplos anteriores). Diferentes frecuencias conducen a variaciones periódicas en el ciclo de trabajo:





• Consecuentemente, el voltaje de control continuará vagando hacia arriba y hacia abajo hasta que la frecuencia de salida sea igual a la frecuencia de entrada.
• Para establecer el bloqueo, el PLL debe hacer algo más que hacer que la frecuencia de salida sea igual a la de entrada. También debe establecer la relación de fase entre la entrada y la salida que conduce a la tensión de control adecuada.
• El PLL no tiene forma de controlar directamente la fase de la señal del VCO. La única forma en que puede ajustar la fase del VCO es ajustando la frecuencia y, por lo tanto, las variaciones de frecuencia continuarán hasta que se haya logrado tanto el bloqueo de la frecuencia como el bloqueo de la fase.