Universele OTA PLL
Elektuur heeft tot nu toe steeds een toonaangevende rol gespeeld waar het betrof het onder de aandacht brengen van de mogelijkheden van PLL-sistemen. Tal van artikelen zijn reeds gewijd zowel aan beschrijvingen van schakelingen rondom een PLL, als aan uiteenzettingen van de principes en werking van de verschillende toepassingen. De hier beschreven OTA-PLL (Operational Transconductance Amplifier - Phase-Locked Loop) is bedoeld als een universeel MF-versterkerdeel met PLL FM-demodulator, die als een op zichzelf staande module het hart kan vormen van bijvoorbeeld een goedkope maar zeer gevoelige smalband FM-ontvanger voor de 2-meter amateurband of van bijvoorbeeld een kwaliteitsontvanger voor FM-stereo. Deze en andere specifieke toepassingen zullen in een volgend artikel nader worden bekeken.
Het merendeel van de momenteel beschikbare geïntegreerde PLL's voor FM-ontvangers heeft, naast het feit dat zij vrij duur zijn, tevens het nadeel dat ze een 24 V-voeding nodig hebben, hetgeen hen eigenlijk minder geschikt maakt voor zowel portable gebruik als toepassing in de auto. De OTA-PLL werkt vlekkeloos bij voedingsspanningen tussen 5 V en 12 V, zodat men de keuze van de te gebruiken voedingsspanning kan laten afhangen van de bedrijfsspanning die voor de overige delen van de ontvanger nodig is. Een spanning van 9 V blijkt in de praktijk vaak gunstig, omdat dit in de eerste plaats een goede waarde is voor een batterij-gevoede portable en bovendien ruimte overlaat om in een auto met 12 V akku te werken met een gestabiliseerde voedingsspanning.
Omdat de OTA-PLL door het wijzigen van de waarden van enkele komponenten geschikt is voor verschillende frekwenties en bandbreedten, kan hij inderdaad 'universeel' worden genoemd in de ware zin van het woord en is het aantal mogelijke toepassingen dan ook legio. Daar het echter wat aanschouwelijker werkt om aan de hand van enkele gerichte voorbeelden te laten zien wat er ondermeer mee gedaan kan worden (in plaats van er alleen maar over te praten!), zijn in de blokschema's van de figuren 1 en 2 een tweetal praktische toepassingen geschetst.
Figuur 1 toont de mogelijke opzet van een ontvanger waarvoor de OTA-PLL zich bij uitstek leent. Het gaat hier om een zeer eenvoudige, maar kwalitatief uitstekende 2-meter ontvanger voor smalband-FM. Daar de OTA-PLL bij een ingangsfrekwentie van 10,7 MHz en een frekwentiezwaai van 3 kHz een gevoeligheid heeft van 3,2 µV (voor 700 mV LF-output), behoeft de ervoor geschakelde tuner slechts een geringe versterking te leveren om de totale ontvanger toch een respektabele gevoeligheid te bezorgen!
Figuur 1. Blokschema van een ontvanger voor smalband FM-signalen in de 144 - 146 MHz amateurband. Het afstemmen van de ontvanger geschiedt door de frekwentie van de VCO in de OTA-PLL te variëren.
In de in figuur 1 geschetste opzet wordt het ingangssignaal met een frekwentie van 144 - 146 MHz eerst versterkt in een niet-afstembare HF-voorversterkertrap en vervolgens gemengd met een stabiel oscillatorsignaal met een frekwentie van 134 MHz. Het mengprodukt - 10 ... 12 MHz - wordt toegevoerd aan de OTA-PLL, die de MF-versterking en demodulatie voor zijn rekening neemt. Het afstemmen kan geschieden door (met behulp van een potmeter) de frekwentie van de VCO te variëren. Wanneer de totale versterking van de voorversterkertrap en de mikser tesamen 20 dB bedraagt (hetgeen eenvoudig te verwezenlijken is), dan zal de ontvanger voor 700 mV LF-output een ingangssignaal nodig hebben van ca. 0,3 AV - een beduidend hogere gevoeligheid dan die van de meeste fabrieksapparaten voor deze band!
In figuur 2 is het blokschema geschetst van een 'normale' stereo FM-ontvanger, waarvan de OTA-PLL het hart vormt. Hierbij is gekozen voor het principe van de dubbelsuperheterodyne, met als middenfrekwenties resp. 10,7 MHz en 455 kHz. Ondanks het feit dat door de lage modulatie-index van stereo FM-signalen een goede signaal/ruisverhouding moeilijk te bereiken is, zodat deze bij de allerbeste ontvangers zelden meer bedraagt dan 50 dB bij sterke signalen, kan bij de lage middenfrekwentie van 455 kHz met de OTA-PLL een waarde van 60 dB worden bereikt.
Figuur 2. De OTA-PLL toegepast in een 'dubbelsuper' voor stereo FM-ontvangst. Middenfrekwenties resp. 10,7 MHz en 455 kHz.
PLL
De universele OTA-PLL bestaat in wezen uit een ingangsversterker, een PLL FM-demodulator en een bescheiden LF-versterkertrap.
De PLL vormt uiteraard het interessantste en meest essentiële element, zodat in de blokschema's van figuur 1 en 2 binnen het omkaderde gedeelte ook alleen de PLL-demodulator werd getekend, teneinde de schema's zo eenvoudig en begrijpelijk mogelijk te houden. Daar de werking van een PLL voor het merendeel van de lezers wel duidelijk zal zijn geworden uit de informatie die in vele artikelen van de laatste tijd reeds door Elektuur is gegeven, wordt hier volstaan met een zeer beknopte beschrijving.
De PLL bestaat uit een fazevermenigvuldiger, een VCO en een laagdoorlaatfilter. Aan de fazevermenigvuldiger worden toegevoerd het MF-signaal en het VCO-signaal, welk laatste eksakt dezelfde frekwentie heeft als de draaggolf van het ingangssignaal. Tussen de beide signalen wordt een fazeverschil van 90° gehandhaafd. Als nu de frekwentie van het ingangssignaal verandert, zal de faze-vermenigvuldiger een uitgangsspanning produceren waarmee (via een laagdoorlaatfilter) de VCO wordt bijgeregeld, zodat het VCO-signaal het MF-ingangssigvaal a.h.w. blijft 'volgen'. Omdat het MF-ingangssignaal frekwentie-gemoduleerd is, zal de door de fazevermenigvuldiger geproduceerde regelspanning ook deze kleine frekwentievariaties volgen, zodat in de variaties van de regelspanning tevens de FM-informatie ligt besloten.
Schema
Figuur 3. Schema van de universele OTA-PLL. De waarden van de komponenten gemerkt met een *) zijn afhankelijk van de gekozen toepassing.
Voor de voorversterking van het ingangssignaal is een verschilversterker (T1, T2) toegepast met een asimmetrische ingang. De waarde van de ingangsweerstand R1 is (evenals de waarden van R14, R24, C9, C11 en C14) afhankelijk van de gekozen toepassing. De eksakte waarden hiervoor zullen worden vermeld in volgende artikelen waarin de toepassingen van de OTA-PLL in details zullen worden besproken. Voor degenen die wat minder geduld hebben en voor de OTA-PLL al een gerichte toepassing in het hoofd hebben, zijn in de tabel alvast enkele richtwaarden gegeven voor deze komponenten bij verschillende frekwenties en bandbreedten.
Via C4 en C5 wordt het versterkte ingangssignaal geleid naar de beide verschilingangen van de OTA CA 3080 (IC1), die dienst doet als fazevermenigvuldiger. Het op deze wijze benutten van beide ingangen van de OTA levert een ekstra versterking van 6 dB zonder dat dit de stabiliteit beinvloedt, terwijl tevens de toevoeging van de beschermdioden D3 en D4 eenvoudiger wordt. Het van de kollektor van T4 afkomstige VCO-signaal wordt aangeboden aan punt 5 van IC1. Het uitgangssignaal van de fazevermenigvuldiger (pen 6 van IC1) wordt gebruikt om de instelling van T6 en T7 te beinvloeden, hetgeen uiteraard ook de frekwentie van de met 14 en T5 opgebouwde VCO doet variëren. De hierbij noodzakelijke laagdoorlaatfiltering om de ongewenste somfrekwentie (oscillator- plus ingangssignaal) te elimineren wordt verkregen met C8, C9, R14 en R16. Omdat deze weerstandswaarden ook invloed hebben op de VCO-frekwentie, moet voor R14 per toepassing een andere waarde worden gekozen (zie tabel).
| Soort toepassing (alles FM) | Voedingsspanning | R1 | R14 | R24 | C9 | C11 | C14 | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Tipe uitzending | middenfrekwentie | minimum input aan de OTA-PLL! | |||||||
| breedband mono | 10,7 MHz | 160µV | 9 | 330 Ω | 1 k | 150 Ω | - | 100 p | 10 n |
| smalband | 10,7 MHz | 3,2µV | 9 | 330 - 2k2 | 47 k | 0 Ω | - | 220 p | 10 n |
| breedband mono | 455 kHz | 400µV | 9 | - | 47 k | 2k2 | 560 p | 2n2 | 10 n |
| smalband | 455 kHz | 20µV | 9 | 3k3 | 47 k | 82 Ω | 560 p | 2n2 | 10 n |
| breedband stereo | 455 kHz | 500µV | 9 | - | 47 k | 2k2 | 220 p | 2n2 | - |
| breedband stereo | 455 kHz | 200 µV | 12 | - | 47 k | 2k2 | 220 p | 2n2 | - |
Dezelfde, van punt 6 van de OTA afkomstige, regelspanning die de VCO bij-regelt wordt na de-emphasis (met R28 en C14) naar de LF-versterker (T8, T9) geleid en vormt zo het audio-uitgangssignaal.
De frekwentie van de VCO wordt uiteraard voornamelijk bepaald door de waarde van kondensator C11, zodat ook deze waarde moet worden afgestemd op elke specifieke toepassing; dit laatste geldt trouwens ook voor de terugkoppelweerstand R24 die de versterking van de LF-versterkertrap (T8, T9) bepaalt. Bij bijvoorbeeld smalband-FM kan het afstemmen van de ontvanger geschieden door de frekwentie van de VCO in de OTA-PLL te variëren. Dit is mogelijk met behulp van P1 (grof) en P2 (fijnregeling), waarvoor dan normale potmeters moeten worden gebruikt; bij andere toepassingen (breedband-FM) waarbij wordt gewerkt met een vaste middenfrekwentie, krijgen P1 en P2 een eenmalige vaste instelling en kunnen zij als instelpotmeter worden uitgevoerd. Als maatgevend voor de kwaliteit van een PLL FM-demodulator kunnen worden gezien de signaal/ruisverhouding, de lineariteit van de VCO en de mate van AM-onderdrukking. De signaal/ruisverhouding van de OTA-PLL is zondermeer uitstekend te noemen; 60 dB bij stereo en 80 dB bij mono zijn voor een breed-band FM-ontvanger haalbare waarden. De lineariteit van de VCO is door de doordachte opzet van deze VCO eveneens zeer goed, zodat de vervorming van de PLL ekstreem laag is. De AM-onderdrukking tenslotte, bleek bij de OTA CA 3080 voor wat betreft lage ingangssignalen zeer goed te zijn, maar bleek duidelijk slechter te zijn bij hogere signaalnivo's. Met behulp van de dioden D3 en D4 kon dit nadeel echter doeltreffend worden verholpen, omdat door toevoeging van deze dioden op eenvoudige wijze wordt voorkomen dat de piekwaarde van het ingangssignaal op de pennen 2 en 3 van de OTA de 1 V overschrijdt.
Figuur 4. De print van de OTA-PLL volgens het schema van figuur 3. Met behulp van deze zorgvuldig ontworpen print zal de bouw weinig problemen geven.
Figuur 5. De komponentenopstelling van de print. De waarden van de met een *) gemerkte komponenten (R1, R14, R24, C9, C11 en C14) zijn voor de verschillende toepassingen vermeld in de tabel.
| R1,R14,R24 | zie tabel |
| R2,R4,R11,R12,R28 | 4k7 |
| R3,R8,R15,R17,R18,R19,R20 | 1 kΩ |
| R9,R10,R23 | 10 kΩ |
| R5,R6 | 560 Ω |
| R7 | 100 Ω |
| R27 | 100 kΩ |
| R13,R22 | 220 kΩ |
| R16 | 68 kΩ |
| R21 | 470 kΩ |
| R25,R26 | 2k2 |
| P1 | 1 kΩ |
| P2 | 100 Ω |
| C1,C2,C6,C10 | 100 nF |
| C3 | 470 µF/16V |
| C4,C5 | 22 n |
| C7 | 47 µF/16 V |
| C8,C13 | 470 nF |
| C9,C11,C14 | zie tabel |
| C12 | 47 µF/10 V |
| C15 | 100 µF/6V |
| C16 | 10 µ/10V |
| T1 ... T7 | BF 494 |
| T8 | BC 547 |
| T9 | BC 557 |
| D1 ... D6 | 1N4148 |
| IC1 | CA 3080 |
| L1 | smoorspoel 470 µH |
Smalband FM
In smalband FM-sistemen blijken vaak ruisproblemen te bestaan als gevolg van de per definitie lage modulatie-index (= de verhouding tussen de maksimale zwaai en de hoogste modulatie-frekwentie). De PLL-demodulator is daarom, vanwege zijn uitstekende signaal/ruisverhouding, bij uitstek geschikt om deze problemen te lijf te gaan. In een smalbandontvanger is de gevoeligheid van de OTA-PLL zoals reeds gezegd 3,2 µV, terwijl bij een ingangssignaal van 4 µV - dus iets meer dan het minimum - reeds een signaal/ruisverhouding van 40 dB wordt bereikt.
Als men voor de konstruktie van een smalbandontvanger te werk gaat volgens de opzet van figuur 1 en dus als 'voorzet' een vast-ingestelde konverter toepast en voor het afstemmen van de ontvanger de VCO van de PLL gebruikt, beschikt men tevens over een simpele maar effektieve wijze van bandspreiding.
Stereo FM
Bij breedband FM-uitzendingen wordt een frekwentiezwaai van 75 kHz gehanteerd, hetgeen bij een audio bandbreedte van 15 kHz een modulatie-index betekent van 5 bij mono.
Bij stereo-uitzendingen is de maksimale modulatie-frekwentie 53 kHz, terwijl de effektieve bandbreedte van het samengestelde stereo-signaal nog groter is. In de praktijk komt dit neer op een modulatie-index van 0,6.
Uit deze cijfers valt direkt af te leiden dat als verder alles gelijk blijft, bij stereo-ontvangst de signaal/ruisverhouding altijd 20 dB lager zal zijn dan bij mono-weergave van dezelfde stereo-uitzending. In het artikel 'Modulatiesistemen' (Elektuur, maart 1974) is uitgebreid op deze problematiek ingegaan. In een stereo FM-ontvanger kan echter de toepassing van een PLL-demodulator in dit opzicht een aanzienlijke winst betekenen, als deze op een zeer lage tweede middenfrekwentie wordt gebruikt. Het uitgangssignaal van een FM-demodulator is namelijk evenredig met het quotient van de frekwentiezwaai en de toegepaste middenfrekwentie. Bij een lage middenfrekwentie van bijv. 450 kHz zal het uitgangssignaal dus aanzienlijk groter zijn dan bij de 'normale' frekwentie van 10,7 MHz, terwijl de ruisbijdrage in beide gevallen ongeveer hetzelfde zal zijn. Teoretisch is het natuurlijk mogelijk om een normale fazediskriminator te konstrueren voor deze lage frekwentie en een 75 kHz zwaai, maar in de praktijk blijkt het nauwelijks mogelijk hiermee bevredigende resultaten te behalen. Daarentegen leent een PLL-demodulator zich uitstekend om te worden gebruikt bij een relatief lage middenfrekwentie en hoge frekwentiezwaai en maakt daarom bij stereo een signaal/ruisverhouding van 60 dB mogelijk.
