PLL 4046

Para que sirve un PLL, esta es una de las preguntas que muchos se hacen en algún momento.
El PLL es un sistema de Ciclo de Enganche de Fase, o como lo dice sus siglas en ingles, Phase Locked Loop.

El PLL se basa por tener tres bloques internos. (en algunos casos se suele expandir en mas bloques, pero lo mas básico es con tres bloques).
1) Un Comparador de Fase
2) Un VCO
3) Un filtro pasa bajos.

Tenemos que tener en claro que son estos tres bloques.

1) El comparador de fase, Comparador como pueden imaginarse es comparar una cosa con otra, en este caso lo que comparamos son dos señales, y comparamos su Fase, es decir tienen que tener una frecuencia similar, y esta comparación es satisfactoria cuando ambas señales poseen la misma fase. 

2) El VCO, es un oscilador controlado por tensión  es decir se genera una señal de reloj que varia su frecuencia según el nivel de tensión que la controla.

3) Filtro pasa bajos, es simplemente un filtro que permite pasar las frecuencias bajas, esto se utiliza para convertir la frecuencia en tensión  es decir al aumentar la frecuencia el capacitor del filtro se carga mas rápidamente y logra un nivel de tensión mas alto.

Ahora que tenemos en claro estos tres bloques podemos ínter conectarlos.

El primer bloque que encontramos es el Comparador de Fase, donde podemos observar dos entradas donde se ingresaran cada una de las señales a comparar.
Luego encontramos un filtro pasa bajos y a continuación de este el VCO, notase que la salida del oscilador del VCO esta conectada de forma de re-alimentación con una de las entradas del comparador.

Como podemos apreciar, al comparar ambas señales (si se mantienen en el rango de frecuencias calculadas) van a generar una diferencia entre una y la otra a menos que ambas señales sean iguales. Esta diferencia de frecuencia/fase nos generara un error de frecuencia un offset que es el que saldrá del comparador. Luego esta señal que oscila pasara por el filtro pasa bajos convirtiendo la misma en un nivel de tensión tal que adaptado de forma correcta controlara el VCO, y este a la vez generara la frecuencia que re-alimenta el comparador.

Que quisimos hacer con esto, muy sencillo, imaginemos la entrada A con una frecuencia variable externa (una que nosotros ingresemos por ejemplo de un timer astable), y la entrada B posee la salida del VCO (re-alimentación), ahora el VCO esta configurado para trabajar a una frecuencia similar a la de la entrada A ya que si son muy diferentes no funcionara el sistema. 
Esta frecuencia se calcula (mas adelante se detallara). Supongamos que la entrada A tiene una señal de 1kHz y que el VCO esta configurado para trabajar al rededor de 1kHz o al menos que el VCO tenga su frecuencia central en 1kHz, (esta frecuencia central ira hacia arriba o abajo dependiendo del nivel de tensión de la entrada de control del VCO).
Ahora como la entrada A tiene 1kHz y la B tiene la salida del VCO, ambas entradas poseen la misma frecuencia, por ende la fase coincidirá también, entonces el offset de salida del comparador sera menor y la variación en la salida del filtro pasa bajos sera muy poca, entonces a su vez la variación de nivel de tensión de control del VCO sera poca o nada, esto hace que el VCO se siga manteniendo en 1kHz.
Que paso aquí., bueno se ha enganchado la fase, que es lo que queríamos.

Ahora que pasa si variamos la frecuencia de la señal de la entrada A (la que venia de un timer astable). Bueno muy sencillo teniendo en cuenta el funcionamiento que se explico recien, lo que va a pasar es que supongamos que la frecuencia en la entrada A es de 1,1kHz, entonces ya no están en fase, por ende la comparación no la misma, y el offset de salida del comparador sera mayor porque es mayor la diferencia de frecuencia entre la entrada A 1,1kHz y la entrada B 1kHz, hay un offset de 100Hz, ese offset al ingresar al filtro pasa bajos modifica el nivel de tensión que el mismo entrega al control del VCO obligando al VCO a aumentar su frecuencia a 1,1kHz una vez que el VCO aumenta la frecuencia de forma automática nuevamente la entrada A es igual a la entrada B por ende el offset baja y el VCO no se modifica, entonces automáticamente se volvió a enganchar la fase y el circuito se encuentra estable.

Ahora la pregunta... Para que me sirve esto?, bueno es muy amplio el uso de los PLL, si se fijan bien algunos equipos de radio dicen que contienen PLL, haciendo notar que son de mejor calidad que aquellos que no lo poseen. 

Un circuito que funciona a una frecuencia baja por ejemplo 1kHz suele ser mas estable (para mantener esa frecuencia) que uno que opera a una frecuencia mucho mayor por ejemplo 100MHz (como ocurre en cualquier receptor de radio FM broadcast), Al encontrar una radio que posea PLL lo que sabemos es que va a poseer mayor estabilidad en la frecuencia y si esta varia por algún motivo físico externo, la misma se compensara automáticamente por el PLL, que podemos hacer para esto?, bueno existen PLL que funcionan en frecuencias de VHF, esto nos ayuda para poder lograr operar en frecuencias de radio.
Pero ahora hablemos de osciladores, como sabemos lo mas estable (dentro de lo que se puede conseguir, sin entrar en relojes atómicos y demás  son los cristales de cuarzo, teniendo una base de tiempo tan precisa como esa, podemos pensar que nuestro sistema de sintonia podría ser preciso también. 

Imaginemos los bloques del PLL por separado, tenemos un comparador al que ingresan dos frecuencias, en la entrada A pondremos la salida de un oscilador a cristal por ejemplo de 100kHz que es una frecuencia relativamente baja y fácil de operar en estos integrados CMOS de uso general, ahora en la entrada B para que el comparador genere poco offset y se enganche la fase debería tener 100kHz, pero se estarán preguntando, si pongo en la entrada A un oscilador a cristal fijo y estable que nunca se va a modificar, no tendría sentido el PLL,.
Pero si tiene sentido, porque como recuerdan la salida del VCO se ingresaba directamente a la entrada B del comparador que debía tener la misma frecuencia que en la entrada A, ahora que pasara si ponemos en el medio un Prescaler (un divisor de frecuencia por N veces), bueno aquí entra un poco el uso del PLL en radio, Si nuestro VCO entrega 100kHz  a la entrada B y la entrada A tiene un cristal de 100kHz, ya estaría cerrado el circuito y no necesitaríamos mas, pero sucede que un receptor de radio FM broadcast opera en 100MHz promedio, entonces que podemos hacer para ingresar en la entrada B esta frecuencia y que se compare con 100kHz. 
Utilizamos el prescaler, ponemos el divisor de frecuencia en donde entran 100MHz que provienen de la salida del VCO y sale 100kHz que ingresara a la entrada B, Ahora el prescaler tiene un divisor por 1000 veces, ya que 100MHZ dividido 1000 dará como resultado 100kHz, que es la frecuencia que necesitamos para que la comparación sea correcta y el PLL estabilice la frecuencia del VCO
Esta estabilización sera con la presición de la frecuencia de la entrada A que recordemos que proviene de un cristal, por ende tenemos una presición y estabilidad a 100MHz superior que cualquier sistema que no posea PLL.
Ahora viene la parte del cambio de frecuencia o sintonia de una estación de radio, si queremos en lugar de 100MHz una frecuencia de 90MHz, entonces ya no nos servirá un divisor por 1000 porque a la salida tendremos 90kHz en la entrada B y sera diferente a los 100kHz del cristal de la entrada A, entonces el PLL intentara corregir este offset automáticamente llevando el VCO a 100MHz para que vuelva a existir 100kHz en la entrada B, por ende lo unico que nos queda es dividir esos 90MHz en un valor que sea menor a 10000, por ejemplo dividir por 1111, esta división de 90MHz dividido en 1111 partes nos dará 100kHz en la entrada B por ende estará estabilizado y enganchado en fase el PLL y se mantendrá ahí.
Que podemos obtener de esto, que siempre tenemos que tener 100kHz a la salida del Prescaler, entonces lo único que nos queda es utilizar un prescaler programable, es decir modificar el valor por el que se divide la señal de entrada, de esta forma podemos sintonizar una frecuencia.

Supongamos que tenemos un prescaler que divide por 16 como máximo  configurable de 1 a 16, y tenemos una señal de base de tiempo a cristal de 1kHz, y queremos que la frecuencia del VCO sea de 9kHz, lo que vamos a tener que hacer es dividir por 9 esa frecuencia para que a la salida del prescaler nos entregue 1kHz y esa señal en la entrada B sea igual a la de la entrada A. de esta forma utilizamos un prescaler configurable.
Claramente es a modo ejemplo, en realidad en la vida real se utilizan prescaler que dividen por magnitudes mas grandes y de mayor presición que se controla dicho valor de división mediante un microcontrolador, por ende es preciso y sencillo saber a que frecuencia se esta sintonizando la radio ya que si se sabe el valor de división del prescaler y la frecuencia de base de tiempo, podemos saber el valor del VCO.

El circuito es el siguiente:

También se suelen usar PLL VHF como comentaba mas arriba y esto operar a frecuencias mas altas sobre todo el VCO, porque en el caso del 4046 no podemos utilizar su VCO para una frecuencia VHF, la frecuencia máxima dle 4046 se encuentra al rededor del MHz, pero lo que si podemos hacer, es no usar el VCO del 4046 y en lugar de el podemos utilizar un VCO realizado con un circuito Tanque LC donde C es un arreglo de diodos varicap donde el valor de tensión de este (BIAS) es el que controla la frecuencia de oscilación. 
Es decir, el comparador y el filtro pasa bajos podemos usar el del 4046 pero el VCO debemos hacerlo con un transistor y un tanque con varicap, de esta forma podemos manejar un VCO VHF, el problema esta ahora en el Prescaler, que debe poder trabajar en VHF ya que la frecuencia de entrada sera la de salida del VCO, hay algunos circuitos TTL que posen las siglas LVC que son de hasta 200MHz por lo que nos permite trabajar en toda la gama de frecuencias FM broadcast.

PinOut del PLL 4046:

Frecuencia del VCO del PLL 4046: