La fonction d'un circuit à boucle de réaction à verrouillage de phase (PHASE-LOCKED LOOP «PLL») est de comparer, en fréquence et en phase, la sortie d'un oscillateur, à fréquence accordée par la tension (VCO), à celle d'un oscillateur de référence, à fréquence fixe. C'est une «servo-boucle électronique» qui permet la filtration et l'accord par sélection de fréquence sans le recours de bobines ou d'inductances, une caractéristique importante dans les circuits électroniques miniatures d'aujourd'hui.
Parmi les applications de la boucle de réaction à verrouillage de phase, on retrouve le décodage de tonalité, la démodulation des signaux MA et MF, la multiplication de fréquence, la synchronisation d'impulsions et la régénération de signaux.
| Fr = Fréquence de référence |
| Fo = Fréquence de sortie |
| Se= Signal d'erreur |
Il existe différents types de circuit à boucle de réaction à verrouillage de phase (PLL). Cependant, tous fonctionnent selon les mêmes principes de base (FIG.1).
Le comparateur de phase (FIG.2) reçoit et compare la phase et la fréquence, du circuit de sortie, avec une fréquence de référence externe d'entrée, et génère une tension d'erreur variable correspondante, à sa sortie.
Ensuite, la tension d'erreur est filtrée par un filtre passe-bas (FIG.3) et envoyée à l'entrée de contrôle du VCO (oscillateur accordé par la tension)(FIG.4). Il en résulte, que chaque différence de phase ou de fréquence, entre Fo et Fr, est progressivement réduite à zéro. Quand ce phénomène se produit, on dit que la boucle est "verrouillée".
Si la fréquence du VCO est initialement plus basse que la référence d'entrée, la sortie du comparateur de phase sera une tension positive. Cette tension, filtrée, commande alors au VCO d'augmenter sa fréquence jusqu'à ce que cette dernière et sa phase épousent parfaitement celles de la référence d'entrée.
À l'inverse, la tension de sortie du comparateur décroît et commande une diminution de fréquence de la part du VCO.
Le filtre passe-bas (FIG.3) est la partie essentielle, du circuit à boucle de réaction à verrouillage de phase, qui convertit la sortie du comparateur de phase en tension CC pour le contrôle du VCO. Parce qu'on y retrouve une constante de temps, le verrouillage n'est pas instantané et la fréquence de sortie verrouille à la valeur moyenne de la fréquence de référence. Cette caractéristique permet d'obtenir une fréquence de sortie propre, à partir de fréquences d'entrée de référence contenant du bruit. Le filtre passe-bas crée un déphasage entre Fo et Fr. Ce déphasage constitue la tension qui stabilise la fréquence du VCO.
Dans le circuit de base de la figure 1, la fréquence du signal de sortie verrouille avec la valeur moyenne de la fréquence d'entrée, ainsi, les fréquences d'entrée et de sortie sont identiques. La figure 5 présente une variation de ce circuit dans laquelle la fréquence de sortie est précisément dix fois plus élevée que celle d'entrée. Il en résulte que le circuit fonctionne comme un multiplicateur de fréquence.
Dans le diagramme synoptique de la figure 5, un compteur diviseur par dix est inséré dans la boucle de réaction entre la sortie du VCO et l'entrée du comparateur de phase. Par conséquent, le comparateur de phase verrouille à la fréquence de sortie du diviseur par dix au lieu de la sortie du VCO.
Toutefois, dans la condition de verrouillage, la fréquence de sortie (Fo) du VCO est dix fois plus grande que le signal d'entrée de référence (Fr). Le circuit agit donc comme un multiplicateur X10. Ce circuit peut multiplier par n'importe quel nombre autre que dix, à la condition d'avoir un compteur possédant un ratio de division approprié dans sa boucle de réaction.
Le circuit de boucle de réaction à verrouillage de phase peut aussi fonctionner en tant que synthétiseur de fréquence programmable (fig.6) et ce, avec une grande précision. La fréquence de référence d'entrée du comparateur de phase est un signal fixe et précis de 1 kHz dérivé d'un oscillateur à cristal de 1 MHz à travers un compteur diviseur par 1000.
Comme dans le circuit multiplicateur de fréquence, il y a un compteur dans la boucle de réaction entre la sortie du VCO et l'entrée du comparateur de phase. Cependant, ce circuit est programmable extérieurement. Ainsi, il peut exécuter n'importe quelle division de nombre entier avec un ratio entre 100X et 1000X.
Cette caractéristique permet au circuit de générer ou de synthétiser des fréquences exactes et stables, comprises entre 100 kHz et 1 MHz par bonds de 1 kHz. Le circuit du VCO de la figure 6 doit avoir une gamme de fréquence étendue, de 10 à 1, pour couvrir la gamme requise. De plus, la valeur, du bond en fréquence, correspond à la fréquence externe de 1 kHz.
Le compteur programmable est une fonction essentielle de tous les synthétiseurs de fréquence. Pratiquement tous les compteurs répondent à une fréquence d'entrée d'un maximum de quelques mégahertz à peine. Comme résultat, le circuit de la figure 6 ne peut pas synthétiser directement de fréquences plus élevées que quelques mégahertz. Les figures 7 à 9 présentent trois versions alternatives de circuits synthétiseurs de haute fréquence, basés sur la boucle de réaction à verrouillage de phase.
Le circuit de la figure 7 utilise la technique de la prédétermination (prescaling). Un étage additionnel de compteur haute fréquence, diviseur par X, de valeur fixe, (compteur à prédétermination (prescaler)) est placé entre la sortie du VCO et l'entrée du compteur programmable.
Cette configuration permet au VCO d'opérer à une fréquence X fois supérieure à celle de l'étage du compteur programmable. Dans l'exemple montrée, la prédétermination est une division par 20, donnant au synthétiseur la possibilité de couvrir une gamme variant de 2 à 20 MHz en 900 pas. Le désavantage, c'est que la valeur du bond du synthétiseur est augmentée par un ratio égal à la valeur de la prédétermination (c.à.d. 20X Fr dans ce circuit).
Dans le circuit de la figure 8, l'emploi du mélangeur synthétise les fréquences entre 100 et 101 MHz en 1000 bonds de 1 kHz. La sortie du VCO est mélangée à une fréquence de 99.9 MHz, dérivée de l'oscillateur à cristal, avant d'être passée à travers le filtre passe-bas, pour produire une fréquence de différence de 100 kHz à 1.1 MHz. Cette fréquence de différence pénètre alors dans le PLL et passe à travers l'étage du compteur programmable.
La figure 9, montre comment les circuits du mélangeur et du compteur à prédétermination de la figure 8 peuvent être combinés pour produire un synthétiseur de haute fréquence, à large gamme, pouvant générer des fréquences comprises entre 100 et 120 MHz en 1000 bonds de 20 Hz. Le signal de sortie du VCO est mélangée à la fréquence de 98 MHz , dérivée de l'oscillateur à cristal, et passée à travers le filtre passe-bas afin de produire une sortie de 2 à 22 MHz.
Cette sortie est alors réduite une gamme de 100 kHz à 1.1 MHz par l'étage de prédétermination du diviseur par 20, avant d'être retournée au PLL via le compteur programmable. Ce circuit donne d'excellents résultats.
La figure 10 représente une version numérique, simplifiée, du circuit à boucle de réaction à verrouillage de phase, que l'on retrouve dans les téléviseurs. Ce système est généralement appelé « PLL ÉTENDU » et garde la fréquence de l'oscillateur du syntoniseur à une sous-harmonique de l'oscillateur de référence (3.58 MHz dans ce cas). Ici, l'élément de division, qui est habituellement fixe, est remplacé par un diviseur variable programmable (÷N). Le changement de canal s'effectue en variant le ratio de division, du diviseur programmable, avec la commande de 4 bits de donnée du système de contrôle du micro-processeur (qui, à son tour, est actionné par les touches du panneau avant de l'appareil ou par la télécommande).
