BAB I

PENDAHULUAN

A. LATAR BELAKANG

B. RUMUSAN MASALAH

C. TUJUAN

BAB II

PEMBAHASAN

A. PENJELASAN OPERASI PLL SEDERHANA

Phase locked loop (PLL) adalah suatu rangkaian yang di dalamnya

terdapat suatu sinyal referensi eksternal untuk mengatur frekuensi dan phase

dari suatu oscillator dalam loopnya. Frekuensi dari oscillator loop bisa sama

atau kelipatan dari frekuensi referensi. Apabila sinyal referensi berasal dari

suatu oscillator, maka bisa diperoleh frekuensi-frekuensi lain yang mempunyai

stabilitas yang sama seperti frekuensi kristal. Ini merupakan dasar sintesa

frekuensi. Jika sinyal referensi mempunyai frekuensi yang berubah-ubah

(seperti dalam gelombang termodulasi-frekuensi); frekuensi oscilator loop akan

“mengikuti jejak” frrekuensi input tersebut; prinsip ini digunakan dalam

demodulator FM dan FSK, filter-filter “tracking”, dan instrumentasi RF.

Penerapan teknik “phase-locked” yang pertama kali adalah pada tahun

1932 untuk mendeteksi sinyal-sinyal radio secara sinkron, tetapi pemakaiannya

masih sedikit hingga akhir 1960. Di akhir tahun ini PLL atau bagian-bagiannya

telah tersedia dalam bentuk rangkaian terpadu (IC).

Gambar 1. Menunjukkan komponen-komponen dari suatu PLL. Dengan

anggapan bahwa loop tersebut dalam keadaan “terkunci”, frekuensi dari sinyal

input dan oscillator VCO adalah sama (fi = fc) dan perbedaan phase relatifnya

θi−θoDitentukan oleh karakteristik detector phase dan oleh defiasi fi dari “frec

tunning frekuency” fp VCO (ditetapkan dengan mengatur Vd = 0). Jika sinyal

input mempunyai frekuensi fi - ft maka tidak diperlukan tegangan pengatur

terhadap VCO, karenanya output detector phase yang diperlukan adalah nol.

Phase VCO θomengatur dirinya sendiri untuk menghasilkan perbedaan

phase θd=θi−θoyang akan menghasilkan output nol dari detector phase. Sudut

θdmungkin π /2 atau π tergantung pada jenis rangkaian detektor phasenya.

Apabila frekuensi input berubah sehingga fi = ft, maka perbedaan phase θdharus

berubah cukup besar agar menghasilkan tegangan pengatur Vd yang akan

menggeser frekuensi VCO ke fo=ft.

Suatu pembagi frekuensi yang bisa dipilih menurut selera perancang, bisa

disisipkan pada loop tersebut di antara titik a dan b pada gambar 1. Apabila ratio

pembagi adalah n, frekuensi VCO adalah fo= nfi, tetapi tegangan yang

diumpankan kembali ke detector phase mempunyai frekuensi fi. Hal ini berarti

VCO bisa membangkitkan suatu kelipatan dari frekuensi input dengan phase

yang tepat sama di antara kedua tegangannya.

Gambar 1. Komponen-komponen dasar dari sebuah PLL

B. ANALISA LINIER PLL

Gambar 2. Diagram PLL dan simbol-simbol yang digunakan dalam analisa

Pada  prinsipnya  Phase  Lock Loop  adalah  suatu  feedback  control

system yang rangkaiannya terdiri atas bagianbagian pokok sebagai berikut :

1.  Phase Detector

2.  Loop Filter

3.  Voltage Controlled Oscillator (VCO)

1. Detector Phase

Peran   utama   dalam   PLL   dipegang   oleh  phase   detector  yang

bertugas membandingkan phase input signal dari VCO dengan suatu signal refe-

rence dan sebagai outputnya adalah beda phase. Adanya   beda   phase   akan

memberikan   perbedaan   voltage   yang   selanjutnya, perbedaan voltage

tersebut  difilter  oleh  loop  filter  dan diapplied ke VCO.  

Pada keadaan loop terkunci, output dari detector phase adalah suatu

tegangan dc yang merupakan fungsi dari perbedaan phase Vd = θi−θo. Jika

frekuensi input fi sama dengan frekuensi “free-running” VCO fi, maka tegangan

pengatur Vd ke VCO harus 0; karenanya Ve harus nol. Dalam detector-detektor

phase yang biasa digunakan, Ve adalah fungsi sinusoidal, triangular (segitiga)

atau sawtoothed (gigi gergaji) dari θd dengan Ve sama dengan nol apabila θd

sama dengan π /2 untuk jenis sinusoidal dan triangular dan π untuk jenis

sawtooth.

Pada gambar 3, pada saat loop dalam keadaan “terkunci”, sudut θotetap

berada dalam batas-batas ±π /2 untuk kurva (a) dan (b) dan ±π untuk kurva (c).

Apabila sudut θe tersebut melampaui/lebih besar dari batas-batas di atas, maka

loop akan keluar dari siklus atau menjadi tidak terkunci. Maka loop harus

direncanakaan untuk beroperasi dengan penyimpangan phase yang lebih kecil

dibandingkan dengan harga-harga batasnya.

Gambar 3. Tiga jenis karakteristik detector phase : (a). sinusoidal, (b).

triangular, (c). sawtooth

2. Filter Loop

Filter loop digunakan untuk menghilangkan komponen ac dari detector

phase yang mana mengandung komponen ac dan dc. Filter loop adalah lowpass

filter, biasanya orde pertama, tetapi orde yang lebih tinggi digunakan jika

diinginkan penekanan terhadap komponen-komponen ac dari output detector

phase.

Filter low pass dalam loop biasanya mempunyai salah satu bentuk dari

yang ditunjukkan pada gambar 4. Pada filter-filter pasif gambar 4 (a) dan (b),

biasanya dibutuhkan suatu penguat dengan gain (penguatan) Ka. Filter aktif

gambar 4 (c) mengandung elemen penguat.

Gambar 4. Tiga jenis low-pass loop filter

Keberhasilan design suatu PLL sebagian besar ditentukan oleh design

loop filter yang baik. Hal ini disebabkan karena pada saat terjadi perbedaan

phase, phase detector akan mengeluarkan perbedaan voltage yang berubah-

ubah naik turun. Loop filter harus mampu menahan goyangan voltage

tersebut sehingga perubahan voltage yang masuk ke VCO menjadi halus.

3. Voltage-Controlled Oscilator (VCO)

Control voltage pada VCO mengubah frekuensi ke arah memperkecil

perbedaan antara signal reference dengan signal feedback dari VCO. Bila

loop menjadi locked, maka control voltage berada pada posisi dimana

frekuensi ratarata signal feedback tepat sama dengan frekuensi reference.

Rangkaian VCO akan terus berosilasi menghasilkan frekuensi f2 sampai

f2 = f1. Ketika f2 = f1, maka tegangan Vdc keluaran rangkaian phase detector = 0

dan ini menyebabkan rangkaian VCO berhenti berosilasi (locked). Karena

rangkaian loop ini akan mengunci (Locked) saat frekuensi dan fasa dari kedua

sinyal sama, maka rangkaian ini disebut dengan Phase-Locked Loop.

Ketika berdiri sendiri, frekuensi output VCO sangat tidak stabil. Hal ini

disebabkan karena kapasitansi varaktor dan kapasitansi intrinsik di dalam

transistor yang digunakan, sangat dipengaruhi oleh suhu lingkungan. Bila suhu

berubah maka frekuensi VCO akan berubah, sehingga dinyatakan bahwa

frekuensi VCO tidak stabil. Ketidak-stabilan frekuensi VCO ini kemudian diatasi

dengan sistem PLL.

Perubahan suhu lingkungan umumnya berlangsung sangat lambat.

Ordenya bisa detik, menit atau jam. Perubahan yang lambat ini cukup mudah

diikuti oleh Low Pass Filter (LPF) di dalam PLL. Sebab time response dari LPF ini

telah sengaja dibuat lambat. Nah ketika frekuensi VCO berubah sedemikian

cepat maka LPF tidak mampu lagi mengikuti.

C. CONTOH APLIKASI PLL

1. Aplikasi sebuah PLL Klasik yang bekerja pada FM-II 100-MHz 

Gambar 5. Blok diagram aplikastif PLL Klasik yang bekerja pada FM-II 100 MHz

Bila dilihat dari fungsi masing-masing bagian diatas dapat digambarkan

bahwa frekuensi yang berada dalam “lingkar” tersebut sangatlah stabil

menyamai kestabilan frekuensi referensi dari osilator kristal. Yang paling

menentukan dari kualitas sebuah PLL adalah Respone Time dari LPF

dan Devider dan lebar bidang kerja dari VCO pada taraf tegangan yang

mengendalikannya.

Perancangan dari nilai komponen pembangun LPF sangat menentukan

terhadap keluaran PLL (VCO) secara langsung. Ketidaktepatan akan

menyebabkan Locking Time berlangsung cukup lama dan ini merupakan indikasi

unjuk kerja PLL yang kurang baik. Disamping juga bisa menyebabkan

terjadinya side-tone yang cukup mengganggu karena akan ikut terbawa bersama

gelombang pemodulasi pada penerapan FM.

Devider biasanya diawali dengan sebuah pre-scaller karena 

kebanyakan n-devider tidak mampu bekerja pada pita FM-II. Dengan demikian

akan ada beberapa tahap devider sebelum sampai pada Phase Detector dan ini

dapat diatasi dengan pemakaian IC TTL karena kecepatan kerjanya tidak

diragukan lagi.

Pada jenis PLL tertentu penentuan frekuensi keluaran yang dikehendaki

digunakan dua cara yaitu melalui n-devider dan perubahan pada frekuensi

referensi. Perubahan pada frekuensi referensi tidak bisa sebebas n-

devider mengingat  Q-factory yang sangat tinggi dari kristal kuarsa yang hanya

memungkinkan pergeseran selebar 2% dari frekuensi fundamental-nya. Cara ini

biasa dan umum diterapkan pada AM-SSB Transceiver dengan

memasang Variable Capasitor secara serial dengan kristal untuk

melakukan Fine-Tuning.

2. Aplikasi PLL dengan IC MC145151

Dalam IC ini sudah built-in Phase Detector, Oscillator Reference, dan N

Programmable Divider, sehingga dengan menambahkan sebuah kristal, lowpass

filter, dan VCO maka kita sudah dapat membangun frequency synthesizer

dengan PLL.

Kelebihan IC ini adalah kita dapat mengeset bilangan pembagi untuk

frekuensi kristal pada Oscillator Reference, dengan kemungkinan 8 angka

pembagian. Mari kita lihat susunan pin IC ini: Fin : Frekuensi Input ( Pin 1 ).

Frekuensi Output dari VCO diumpankan ke pin No. 1 ini. RA0 – RA2 ( pin 5, 6, 7 ).

Dari tiga pin ini kita bisa mengeset berapa nilai pembagi ( 8 pilihan ) yang

membagi frekuensi kristal Osilator referensi. Detailnya bisa anda lihat pada

gambar.

N0 – N11 ( pin 11 – 20 dan pin 22 – 25 )

N Programmable Divider, dari ini kita mengeset berapa nilai N. Perlu dipasang

resistor pull-up agar tercapai kondisi yang pasti pada logika 1. OSCin – OSCout

(pin 27 dan 26 ). Pada pin ini kita pasang kristal yang akan menetukan berapa

besar frekuensi Osilator Referensi setelah dibagi oleh kombinasi tegangan pada

RA0 – RA2.

PDout ( pin 4 )

Phase Detector out, dari pin ini keluar tegangan error yang digunakan

mengontrol frekuensi VCO setelah melalui Low Pass Filter. LD ( pin 28 )

Lock detector, akan bernilai High jika terjadi ”Lock ” dan Low jika PLL tidak

terkunci. VDD ( pin 3 ). Tegangan Positip power supply 3 – 9 Volt. VSS ( pin 2 )

Dihubungkan dengan Ground.

Cara kerjanya sebagai berikut: Frekuensi Kristal 2,048 MHz dibagi

bilangan 2048 ( lihat setting tegangan RA0 –RA2 ), menghasilkan frekuensi

referensi 1 KHz. C trimmer pada kristal untuk memastikan frekuensi osilator

referensi tepat I KHz. Sirkuit R dan C pada keluaran PDout adalah merupakan

Low Pass Filter. Untuk mendapatkan frekuensi output VCO lock pada frekuensi 5

MHz ( 5000 KHz ), kita harus mengeset kombinasi saklar N Programmable

Divider pada bilangan 5000. Angka N = 5000 ini didapat dari 5000KHz dibagi

1KHz. 

Kesimpulannya:

Frekuensi Output VCO = frekuensi Osilator referensi dikali dengan nilai N.

Pada contoh gambar untuk mendapatkan frekuensi out sebesar 5 MHz kita harus

mengeset saklar programmable divider dengan posisi: 01110001000, darimana

mendapatkan ? . posisi saklar pada gambar di atas ( perhatikan betul-betul

gambar... ) adalah merupakan representasi bilangan Biner dari bilangan desimal

5000 ( nilai N ).

Untuk mengubah frekuensi out VCO kita tinggal mengubah besarnya nilai

N pada Programmable divider.