Transceptor NeoTeo: PLL – Oscilador de Referencia

Desde hace algunas publicaciones, venimos acercándote circuitos que serán parte de este ambicioso proyecto que te entregaremos en NeoTeo. Por supuesto que no será sencillo, ni gratis, pero que con paciencia, ganas y dedicación, todos podremos lograr construirlo, paso a paso. No sólo estaremos conectados a través de esta maravillosa web sino que además, construiremos un equipo de radio capaz de comunicarnos a todos, de punta a punta en el continente y hasta saltar el océano para estar en contacto más directo, con gente que habla nuestro mismo idioma. Aquí comienza el desarrollo del corazón de nuestro Transceptor NeoTeo: el PLL. Disfrútalo, descúbrelo y comienza a sentir esa sensación única de construir algo tú mismo.

Cualquier circuito oscilador que intente tener un desempeño eficiente, debe tener una escasa deriva de frecuencia de trabajo y uno de los elementos más utilizados para alcanzar esta estabilidad es el cristal de cuarzo. Con este tipo de dispositivos, las variaciones de frecuencia son mínimas y por lo general, se contabilizan en partes por millón y es variable en función de la temperatura que lo circunda. Estos es: un cristal estabilizado en temperatura, tensión de trabajo y en condiciones adecuadas de funcionamiento, posee en la mayoría de los casos, una deriva muy pequeña, pero si es expuesto a márgenes amplios (o cambios bruscos) de temperatura, los valores habituales suelen establecerse entre 20 y hasta casi 100 partes por millón (ppm), para variaciones térmicas comprendidas entre -40°C y 70°C.

Estos términos son muy sencillos de comprender y por elemental sentido común podemos interpretar que por cada millón de ciclos de trabajo, se provocan desviaciones de entre 20 y hasta casi 100 ciclos. Un cristal de 10Mhz trabajará en frecuencias que pueden variar entre 9.999.500Hz hasta 10.000.500Hz (considerando 50ppm). Por supuesto, debes comprender que estamos hablando de cristales tradicionales y para aplicaciones domésticas como los que vemos en la imagen inferior y estamos acostumbrados a utilizar en los montajes de NeoTeo. Los cristales de uso profesional (Rubidio) poseen derivas muy pequeñas que los hacen aptos para trabajos en instrumentos de elevada calidad, pero que poseen un costo tan elevado que los hacen prohibitivos para nuestros desarrollos de aficionados.

Otra desventaja que se sumaría a nuestra aplicación, sería la posible necesidad de cambiar en forma constante la frecuencia de trabajo del circuito. Según la aplicación, necesitaríamos alternar entre cientos de cristales y esto se transformaría en una tarea imposible y hasta ridícula, sin contar que tendremos que gastar una fortuna de dinero en la compra de cristales, que quizás nunca conseguiremos, perderemos, y hasta romperemos con el uso. Para resolver todos estos problemas y utilizar un VCO (Voltage-Controlled Oscillator) sencillo con la máxima estabilidad en frecuencia y la menor deriva en partes por millón, tenemos la posibilidad de construir un sencillo Lazo Enganchado en Fase o PLL como el que empezaremos a ver, analizar, desarrollar y ejecutar en este artículo. Un ensayo muy rápido y muy sencillo de lo que podemos llegar a obtener con un PLL, para aquellos que no lo han visto, aquí se los dejamos.

Entre tantas cosas que se aprecian en el video, ¿has admirado la estabilidad de frecuencia? Esto es logrado con un cristal de cuarzo, simple y doméstico, de 4Mhz. Uno de los “secretos resueltos” que permiten alcanzar estabilidad y exactitud (además de precisión) es la división que se realiza a esta frecuencia inicial de oscilación, que será utilizada como referencia para “mover por pasos” a nuestro PLL. Aquí no tendremos un sistema enanchado en fase dentro de una frecuencia fija, como hemos visto en otras aplicaciones. Dentro del Transceptor NeoTeo, la frecuencia del Oscilador Principal (VCO) deberá moverse entre extremos definidos y lo hará con intervalos que podemos asignar según la necesidad que creamos conveniente. En el video puedes ver movimientos de 1Khz, sin embargo tú puedes desarrollar y adaptar el circuito básico que utilizaremos hasta con intervalos de 500Hz. Por ejemplo, puedes avanzar desde 7.090.500Hz a 7.091.000Hz con sólo incrementar una unidad. O también puedes hacerlo a 7.091.500 (1Khz), a 7.095.500 (5Khz), o a 7105.500 (10Khz) con sólo un paso de avance del selector de frecuencias. Pero como todo en la vida tiene un principio, veamos el circuito del oscilador principal, el que nos presentará la referencia de trabajo:

En él se aprecia en forma clara un viejo conocido de estas publicaciones, como es el oscilador tipo Pierce, formado por la puerta U1D, con capacitores cerámicos de 22pF a GND, una resistencia de 1M (para brindar mayor estabilidad al oscilador) y una puerta (o compuerta) separadora U1C, que se encargará de llevar los 4Mhz al divisor de referencia. Las puertas que no se utilizan, como dictan las buenas normas de diseño de un circuito de RF, colocan sus entradas a GND (U1A y U1B). Un grupo de actores extraños se encuentran a la izquierda de la imagen y su función es trabajar en conjunto con C1 sobre los pines 12 y 13 de U1D (CD4011B). Como todos sabemos y mencionamos al principio, los cristales no son perfectos en frecuencia y según como ya habíamos observado en el artículo sobre Diodos Varicap, C3 y D1 se colocan en paralelo a C1 aportando capacidad “extra”, según el ajuste de R2.

C1 no siempre será de 22pF, no te guíes con ése valor. En tu caso puede ser de 18pF, 15pF o 27pF. Lo importante a lograr es que el resultado pueda permitir que la frecuencia de trabajo de este oscilador tenga variaciones por encima y por debajo de los 4Mhz. ¿Para qué es necesario esto? Para un ajuste exacto de la frecuencia de referencia final (5Khz, 1Khz, 500Hz, etc.) ¿Por qué no colocamos un capacitor variable fijo allí e incorporamos un potenciómetro y un diodo que hace las veces de varicap (nuestro humilde 1N4004)? Porque de ese modo, puedes llevar este control al frente del equipo y ajustar la sintonía de recepción de manera exacta. Imagínate que tu corresponsal está desplazado en frecuencia algunos Hertz (porque su equipo no es tan bueno como el Transceptor NeoTeo); en ese caso tú podrás “moverte en frecuencia” levemente hasta escucharlo en forma clara, sin desviaciones.

El divisor de referencia es un circuito que incorpora divisores CD4518B sumados en cascada para logar varias salidas de referencia. ¿Y por qué necesitaríamos varias opciones de referencia? Porque de ese modo puedes optar por avanzar en “pasos pequeños” dentro del dial o también puedes seleccionar 5Khz para tu receptor de satélites meteorológicos, o 50Khz (deberás buscar más atrás, sobre U2) para cambiar de frecuencia de transmisión tu equipo de FM Comercial. Lo importante a comprender es que las opciones pueden ser variadas según tu interés y lo bueno es que sepas donde encontrar eso que buscas. Si deseas “pasos” menores a 500Hz, deberás agregar otro divisor que te permita bajar aún más en frecuencia (habrá muchos que querrán hacerlo). El secreto es seguir sumando divisores, como U3 está acoplado a U2.

Uno de los puntos más destacados de esta sucesión de divisiones es advertir que, a medida que más etapas agregamos, menor será el error de deriva de frecuencia expresada en partes por millón, en el resultado final seleccionado. Esto es, si decides utilizar una referencia obtenida luego de muchas divisiones, cualquier mínimo intento de cambio de frecuencia de trabajo, por parte del VCO (que ya hemos visto un par de ejemplos) será corregido en forma automática e instantánea por el comparador que incluye el circuito PLL. Como ya vimos antes, el PLL recibe la referencia fija (ésta que estamos viendo) y la variable que proviene de una cadena de divisores especiales. La garantía de estabilidad y exactitud en la frecuencia final son notables y ya lo podrás disfrutar en tu equipo (que será lo que tú quieras que sea).

Por último, la fuente de alimentación. En este caso, D2 se ubica para prevenir accidentales errores de inversión de conexión sobre los pines J1 y J2, R3 es una resistencia limitadora de corriente para llegar al regulador U4 con una tensión limitada, con el propósito de favorecer una mínima disipación de calor (por diferencias de tensión “I/O”). Luego, los capacitores electrolíticos y cerámicos que siempre incorporamos en nuestros circuitos para evitar oscilaciones y ruidos parásitos en las vías del PCB, completan el diseño. Por supuesto, a toda la hoja completa del circuito que hoy te mostramos y te invitamos a comenzar a ensayar, queda al final del artículo para que la descargues en formato PDF. Luego vendrá el divisor programable, el comparador de fase y el filtro pasa-bajos que se utiliza para controlar el VCO (un verdadero fantasma en esta clase de desarrollos).