Il phase-locked loop, comunemente noto con la sigla PLL, è un circuito ampiamente utilizzato nell'elettronica per le telecomunicazioni. Esso costituisce un sistema di controllo automatico che consente di generare un segnale periodico la cui fase è in relazione fissa con quella di un segnale di riferimento. Il PLL è inoltre un classico esempio di applicazione all'elettronica del controllo in retroazione. A causa dell'uso comune della sigla, in letteratura non esiste una traduzione italiana univoca del termine: è difatti possibile trovare le forme "anello ad aggancio di fase", "circuito ad aggancio di fase", "maglia ad aggancio di fase" oppure "anello agganciato in fase" che è forse quella che meglio esplica il suo significato.
Finalità Tale tipo di circuito si usa per diversi scopi quali:
sintetizzatore di frequenza, essendo in grado di sintonizzare un oscillatore controllato in tensione (Voltage Controlled Oscillator o VCO, dispositivo in grado di produrre oscillazioni ad alta frequenza ma dotato di bassa precisione) con un oscillatore al quarzo (caratterizzato al contrario da una bassa frequenza di risonanza, spesso insufficiente nel campo delle telecomunicazioni, ma anche da precisione molto elevata); generatore di clock, soprattutto nei sistemi a microprocessore; demodulatore FM; sistema di clock recovery, finalizzato cioè all'estrazione del clock da un segnale aperiodico modulato.
Schema di base
Un PLL tipico è composto generalmente da quattro moduli (visibili in figura):
comparatore di fase; filtro passa-basso; oscillatore controllato in tensione (VCO - Voltage Controlled Oscillator); divisore di frequenza.
Quest'ultimo modulo è presente solo quando si usa il PLL come moltiplicatore di frequenza, cioè quando si vuole ottenere un segnale a una frequenza multipla di quella di un segnale di riferimento. rappresenta la frequenza del segnale di ingresso, la frequenza del segnale di uscita e la tensione in ingresso al VCO, che nel caso di utilizzo del PLL come demodulatore è l'uscita che viene effettivamente considerata.
Analogia È possibile paragonare il funzionamento del PLL all'accordatura di uno strumento musicale a corda usando un diapason, che produce una frequenza di riferimento. La tensione della corda viene regolata fino a che non si sentono più battimenti: ciò infatti significa che la corda e il diapason vibrano alla medesima frequenza.
Nel caso del PLL, ciò si ottiene aggiustando la tensione elettrica in ingresso al VCO, che controlla la frequenza generata in uscita, fino a quando quest'ultima coincide con la frequenza del segnale d'ingresso.
Storia
Le prime ricerche nel campo dei PLL risalgono al 1932... In quegli anni, un gruppo di ricercatori britannici cercava di sviluppare un'alternativa al ricevitore supereterodina di Edwin Howard Armstrong, con l'intento di ottenere un sistema che avesse bisogno di meno circuiti di sintonia. Nacque così il ricevitore omodina o a conversione diretta, molto più semplice del supereterodina, in quanto composto solo da un oscillatore, un miscelatore o mixer e un amplificatore.
Il segnale dell'oscillatore locale viene sintonizzato direttamente con la frequenza che si desidera ricevere e miscelato in un mixer a prodotto con il segnale d'ingresso. In questa maniera il segnale risultante include direttamente l'informazione modulata originale. Il problema principale di tali ricevitori è il controllo preciso della frequenza dell'oscillatore locale, necessario per sintonizzare adeguatamente il segnale modulato. Si pensò quindi di applicare all'oscillatore un segnale automatico di correzione, in maniera da mantenerlo alla fase e frequenza desiderata. Tale tecnica, già conosciuta per i servocontrolli, fu descritta in un articolo del 1932 dallo scienziato francese Henri de Bellescize, nel giornale L'Onde Électrique.
Inizialmente il sistema omodina non ebbe molta fortuna, poiché il costo necessario per la creazione di un PLL con questa tecnica non giustificava i vantaggi che essa portava. Per il buon funzionamento del ricevitore è necessaria infatti una grandissima linearità e una certa insensibilità agli offset di corrente continua, due caratteristiche che in quel periodo non erano ancora ottenibili.
Una prima diffusione su vasta scala dei PLL la si ebbe nei ricevitori analogici per la televisione, dove un circuito con funzionalità simili fu usato per oltre tre decenni. Nei sistemi che utilizzano il segnale televisivo standard il controllo degli sweep (deflessioni) orizzontali e verticali è realizzato tramite due generatori a dente di sega. Assieme a tali segnali sono trasmessi anche degli impulsi di temporizzazione che ne permettono la sincronizzazione, che inizialmente veniva effettuata mediante una tecnica di injection locking, funzionante però solo in assenza di forte rumore. Dalla fine degli anni trenta, utilizzando l'equivalente di un PLL, gli impulsi di temporizzazione vengono agganciati in maniera molto più efficiente anche in presenza di rumore di fondoRiguardo all'utilizzo dei PLL nella televisione (standard americano NTSC), ..
Un'ulteriore importante applicazione dei PLL si sviluppò con l'introduzione della televisione a colori negli Stati Uniti tra la fine degli anni quaranta e l'inizio degli anni cinquanta. La Federal Communications Commission decretò infatti che il nuovo segnale televisivo dovesse mantenere la compatibilità con i vecchi sistemi in bianco e nero, non allocando quindi una nuova banda per permettere la trasmissione dell'informazione cromatica a parte. Fu quindi necessario trasmettere tale informazione all'interno della banda del segnale già esistente, tramite una sottoportante a circa . L'informazione cromatica è però di tipo vettoriale, in quanto l'ampiezza del segnale rappresenta la saturazione mentre la tonalità viene ricavata dalla differenza di fase del segnale rispetto alla sottoportante a . Ciò rende necessaria la presenza di un circuito che consenta una perfetta sincronizzazione con la fase di un segnale di riferimento, applicazione tipica per un PLL.
Un'applicazione dei PLL simile alla precedente è necessaria anche per la trasmissione radiofonica in stereofonia a modulazione di frequenza. Anche in questo caso ci fu l'esigenza di garantire la compatibilità con il sistema precedente, cioè quello monofonico. L'informazione stereofonica, cioè la differenza tra il canale sinistro e quello destro, viene quindi codificata con una sottoportante alla frequenza di , modulata con la tecnica DSB-SC. In questa maniera il ricevitore, generando una copia della sottoportante, può ottenere i canali destro e sinistro semplicemente sommando e sottraendo il segnale monofonico (che è la somma dei due canali) al segnale differenza. La ricostruzione del segnale differenza risulta molto semplificata se per la demodulazione viene usato un PLL.
La grande popolarità di questo circuito però nacque con lo sviluppo delle tecnologie integrate, che permettono di realizzare a bassi costi su un unico circuito integrato un intero PLLRiguardo alla storia del PLL, .. Dal 1969, quando la Signetics introdusse una linea di circuiti integrati monolitici che contenevano un PLL completo sul chip, gli impieghi applicativi si sono moltiplicati. Pochi anni più tardi la RCA introdusse il CD4046 CMOS Micropower Phase-Locked Loop, che divenne un popolarissimo circuito integratoIl datasheet di tale circuito è ottenibile da .. Molte delle tecnologie all'avanguardia degli ultimi anni, tra le quali la telefonia cellulare, le comunicazioni wireless, il GPS e la televisione satellitare e sul digitale terrestre non sarebbero possibili senza l'utilizzo intensivo dei PLL.
Funzionamento di base Si trascuri per il momento il divisore di frequenza, che come già accennato viene usato solo quando il PLL è usato per produrre un'oscillazione a frequenza multipla rispetto a quella di riferimento. Il segnale in ingresso e quello in uscita vengono confrontati tra loro dal comparatore di fase, che restituisce in uscita un segnale di "errore" relazionato con lo sfasamento dell'uscita rispetto all'ingresso. Se si desidera che le due oscillazioni siano accordate (cioè alla stessa frequenza), è sufficiente che tale errore sia costante nel tempo.
Questo segnale di "errore", opportunamente filtrato, raggiunge l'oscillatore controllato in tensione (VCO) che viene quindi forzato a produrre un'oscillazione a una frequenza maggiore o minore a seconda dell'entità del segnale in ingresso. L'uscita del VCO viene poi confrontata con il segnale di riferimento, essendo l'anello chiuso in retroazione negativa. A regime, il sistema tenderà a raggiungere uno stato in cui l'uscita del VCO e il segnale di riferimento hanno la stessa frequenza, ottenendo così la sintonizzazione del PLL. La velocità di risposta del circuito dipende dalle caratteristiche del filtro e del comparatore di fase e dalla sensibilità del VCO. Si noti che la presenza del filtro passa-basso è indispensabile per controllare la dinamica del sistema in retroazione e per eliminare componenti spurie in uscita dal comparatore di faseAd esempio, se il comparatore di fase è un mixer analogico, è necessario eliminare la frequenza doppia generata..
Riconsiderando ora il divisore, esso ricava un segnale sottomultiplo di quello generato dal VCO, ovvero con frequenza "scalata" di N, e lo riporta all'ingresso del comparatore di fase. A regime, la frequenza del segnale in uscita dal divisore () e di quello in ingresso () saranno uguali. Dato che , a regime si avrà:
quindi l'uscita del VCO oscilla a una frequenza multipla di quella dell'ingresso.
Esiste un'ulteriore versione del PLL, detta a pompa di carica, che sostituisce il comparatore di fase con un comparatore di fase e frequenza (phase-frequency detector, PFD), seguito in cascata da un circuito che ha il compito di trasformare l'errore di fase in un segnale di tensione in ingresso al VCO, chiamato charge pump (pompa di carica).
Applicazioni I PLL sono usati principalmente per ottenere una sincronizzazione costante nel tempo e per assorbire le eventuali variazioni nella frequenza del segnale di riferimento. Nel campo delle telecomunicazioni vengono utilizzati sia nei ricevitori coerenti, dove cioè è necessario ricostruire la portante del segnale ricevuto, sia in quelli incoerenti. Nelle modulazioni coerenti infatti l'informazione è contenuta nella differenza di fase tra il segnale inviato e la portante, che quindi deve essere riestratta in fase di ricezione per ricavare il segnale utile. Del resto, anche in modulazioni tradizionalmente incoerenti, come la FM, l'ASK e la FSK può rendersi necessario, principalmente per motivi di reiezione del rumore, l'utilizzo di una versione coerente. Nei sistemi analogici, grazie all'uso delle PLL si riesce in effetti ad aumentare il rapporto segnale rumore e a ridurre il rumore introdotto dai battimenti, mentre in quelli numerici diventa possibile ridurre notevolmente gli effetti legati agli errori di campionamento quali l'ISI.
Anche nei trasmettitori radio i PLL sono molto usati specie come moltiplicatori di frequenza, cioè per sintetizzare le alte frequenze necessarie alla generazione del segnale da immettere nel canale (come somma di portante e segnale in banda base) a partire da un riferimento molto preciso ma a frequenza piuttosto bassa (generalmente fornito da un oscillatore al quarzo).
Demodulatore FM
Se si vuole usare il PLL come demodulatore coerente, non è necessario utilizzare il divisore. Iniettando in ingresso un segnale modulato in frequenza, a regime anche l'uscita avrà la medesima modulazione poiché i due segnali sono agganciati in frequenza. Dato che l'ingresso del VCO è proprio il segnale che indica al componente come deve variare la frequenza, esso non è altro che il segnale modulante. È sufficiente quindi portare in uscita il segnale di ingresso del VCO a regime per avere l'informazione demodulata...
Sintetizzatore di frequenza