Sub Bab 13.6 Phase-Locked Loop

[menuju akhir]

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

2. Tujuan

3. Alat dan bahan

4. Dasar Teori

5. Prinsip Kerja

6. Ringkasan

7. Problem

8. Soal Latihan

9. Percobaan

10. Download File

 

1. Pendahuluan (kembali)

        Phase-Locked Loop (PLL) merupakan rangkaian elektronik yang penting dalam bidang sistem komunikasi dan kontrol. Rangkaian ini terdiri atas tiga blok utama yaitu phase detector, low-pass filter, dan voltage-controlled oscillator (VCO) yang dihubungkan dalam bentuk loop tertutup (feedback loop). PLL berfungsi untuk menyesuaikan frekuensi dan fasa sinyal keluarannya agar selalu mengikuti (locked) terhadap sinyal masukan referensi.

PLL memiliki banyak aplikasi praktis, antara lain sebagai:

1. Frequency synthesizer, yaitu pembangkit frekuensi turunan atau kelipatan dari frekuensi referensi, yang banyak digunakan pada perangkat radio dan komunikasi digital.

2. Demodulator FM, untuk mengambil informasi dari sinyal frekuensi termodulasi.

3. Receiver FSK (Frequency Shift Keying), dalam sistem transmisi data digital.

4. Tone decoder, AM detector, dan tracking filter pada sistem pengolahan sinyal.

Pada prinsip kerjanya, sinyal masukan ($V_i$) dibandingkan dengan sinyal dari VCO oleh phase detector. Hasil perbandingan berupa tegangan kesalahan ($V_e$) yang menunjukkan perbedaan fasa antara kedua sinyal. Tegangan ini kemudian disaring oleh low-pass filter dan digunakan untuk mengatur frekuensi kerja VCO sehingga secara otomatis sistem menjaga agar frekuensi dan fasa output VCO tetap terkunci dengan masukan referensi.

Konsep ini memungkinkan PLL untuk beroperasi secara stabil meskipun sinyal masukan berubah secara perlahan, menjadikannya sangat penting dalam sistem yang membutuhkan sinkronisasi frekuensi dan fasa yang presisi.

2. Tujuan (kembali)

• Memahami prinsip kerja Phase-Locked Loop (PLL) sebagai sistem kendali tertutup untuk sinkronisasi frekuensi dan fasa.

• Menjelaskan peran masing-masing blok utama dalam PLL, yaitu:

  • Phase detector

  • Low-pass filter

  • Voltage-Controlled Oscillator (VCO)

• Menganalisis bagaimana PLL dapat menjaga frekuensi output tetap mengikuti frekuensi input meskipun terjadi perubahan pada sinyal masukan.

• Mengamati bagaimana tegangan error ($V_e$) dihasilkan oleh phase detector sebagai fungsi dari perbedaan fasa.

• Mempelajari penggunaan PLL dalam frekuensi sintetis, demodulasi FM, dan pengolahan sinyal digital.

• Melakukan simulasi dan/atau implementasi rangkaian PLL untuk mengamati proses locking dan tracking sinyal input oleh VCO.

3. Alat dan Bahan (kembali)

A. ALAT

1.Signal Generator / VSINE

Untuk mengukur dan membandingkan tegangan input dan output op-amp.

2. Power Supply DC

Menyediakan catu daya simetris (+Vcc dan -Vcc) untuk mengaktifkan op-amp 741.  

3. Software Simulasi (misalnya Proteus)

Sebagai media perakitan atau simulasi rangkaian elektronik.

4. Oscilloscope (Virtual)

Mengukur tegangan output PLL atau tegangan error $V_e$.

5. Ground (GND)

Titik referensi tegangan nol pada seluruh sistem.

B. BAHAN

1. IC NE565

PLL utama yang berisi VCO dan phase detector. Digunakan untuk mengunci frekuensi output terhadap input.

2. Ground

Ground adalah titik kembalinya arus searah atau titik kembalinya sinyal  bolak balik atau titik patokan dari berbagai titik tegangan dan sinyal listrik dalam rangkaian elektronika.

3. Resistor

Fungsi utama dari resistor adalah membatasi aliran arus. Resistor dapat menahan arus dan memperkecil besar arus. Besar resistansi (kemampuan menahan arus) resistor disesuaikan dengan kebutuhan perangkat elektronika. 

                                                             Cara Menghitung Nilai Resistor

4. Voltmeter

Alat ukur untuk mengukur besar Tegangan dalam satuan Volt

5. Ampere Meter

Alat ukur untuk mengukur Kuat Arus dalam satuan Ampere

6. Kapasitor (C)

Untuk menentukan waktu kerja VCO dan menyaring sinyal di low-pass filter.

7. Transistor NPN (mis. 2N2222)

Sebagai saklar/penguat pada keluaran sebelum masuk ke IC counter.

8. IC 74LS90 (Counter/Divider)

Digunakan untuk membagi frekuensi output dari VCO sehingga didapat output $f_0$.

9. Comparator / Op-Amp (mis. LM311 atau lainnya)

Digunakan untuk mengubah tegangan analog dari VCO menjadi sinyal digital (logika tinggi atau rendah).

4. Dasar Teori (kembali)

🔁 Phase-Locked Loop (PLL)

Phase-Locked Loop (PLL) adalah rangkaian sistem tertutup (closed-loop) yang terdiri atas tiga komponen utama: phase detector, low-pass filter, dan voltage-controlled oscillator (VCO). PLL bekerja dengan cara menyinkronkan fasa dan frekuensi dari sinyal output VCO terhadap sinyal input referensi.

Ketika PLL menerima sinyal input $V_i$ dengan frekuensi $f_i$, phase detector membandingkan fasa antara $f_i$ dan sinyal dari VCO ($f_o$). Hasil perbandingan ini berupa tegangan error $V_e$, yang menunjukkan seberapa besar perbedaan fasa antara dua sinyal tersebut. Tegangan ini kemudian disaring oleh low-pass filter untuk menghilangkan komponen frekuensi tinggi, dan diteruskan ke VCO.

VCO akan menghasilkan sinyal dengan frekuensi yang tergantung pada $V_e$. Saat loop terkunci (locked), frekuensi output $f_o$ dari VCO akan sama dengan frekuensi input $f_i$, atau merupakan kelipatan/bagian tertentu dari frekuensi input jika digunakan dengan counter seperti 74LS90. Inilah yang menjadi dasar dari aplikasi PLL sebagai frequency synthesizer.

---

🔢 Frequency Synthesizer (Fig. 13.27)

Pada rangkaian ini, PLL digunakan untuk menghasilkan sinyal output $Nf_o$, yaitu kelipatan dari frekuensi referensi $f_i$. Dalam konfigurasi ini, sinyal output dari VCO dikembalikan ke input phase detector setelah terlebih dahulu dibagi oleh counter 74LS90.

Jika $N$ adalah faktor pembagi oleh counter, maka PLL akan mengatur agar frekuensi output VCO menjadi:

$$f_{VCO} = N \cdot f_i$$

Dengan cara ini, kita dapat mensintesis frekuensi yang lebih tinggi atau lebih rendah dari sinyal referensi.

---

📡 FSK Decoder (Fig. 13.28)

FSK (Frequency Shift Keying) adalah metode modulasi digital yang menggunakan dua frekuensi berbeda untuk merepresentasikan data logika: satu frekuensi untuk bit '1' (MARK) dan satu lagi untuk bit '0' (SPACE). PLL dapat digunakan untuk mendeteksi sinyal FSK dengan cara mengunci salah satu dari dua frekuensi input tersebut.

Pada konfigurasi FSK decoder, NE565 PLL menerima sinyal input digital (misalnya 1070 Hz untuk '0' dan 1270 Hz untuk '1'). PLL akan mengunci ke salah satu frekuensi yang masuk dan menghasilkan tegangan DC yang berbeda pada output. Tegangan ini kemudian diperbandingkan menggunakan komparator, dan hasilnya berupa sinyal digital logika tinggi (+14 V) atau rendah (−5 V), yang sesuai dengan bit data asli.

5. Prinsip Kerja [kembali]

A. Prinsip Kerja Frequency Synthesizer (Fig. 13.27)

1. Sinyal input dengan frekuensi $f_1$ diberikan ke pin 2 IC NE565 (phase comparator input).

2. Di saat yang sama, output dari VCO internal NE565 (pin 4) diumpankan ke transistor NPN (2N2222) dan diteruskan ke IC counter 74LS90.

3. IC 74LS90 berfungsi sebagai pembagi frekuensi. Misalnya, jika output diambil dari pin Q1 (÷2), maka frekuensi kembali ke NE565 adalah $f_o / 2$.

4. NE565 akan mengatur output VCO-nya (f_o) sedemikian rupa agar setelah dibagi oleh 74LS90, hasilnya sama dengan frekuensi input $f_1$.

   $$f_1 = \frac{f_o}{N} \Rightarrow f_o = N \cdot f_1$$

5. Dengan demikian, frekuensi output VCO adalah kelipatan dari frekuensi input, dan sistem ini dapat digunakan sebagai frequency multiplier atau synthesizer.

6. Catu daya disediakan oleh sumber DC (misalnya +5V), dan konfigurasi resistor serta kapasitor menentukan range kerja VCO.

B. Prinsip Kerja FSK Decoder (Fig. 13.28)

1. Sinyal digital termodulasi FSK (frekuensi 1070 Hz atau 1270 Hz) masuk ke pin 2 NE565.

2. NE565 mencoba mengunci pada salah satu dari dua frekuensi yang masuk (MARK atau SPACE).

3. Saat PLL terkunci pada frekuensi tertentu, tegangan error $V_e$ (output dari filter) akan berbeda nilainya tergantung frekuensi yang terdeteksi.

4. Tegangan $V_e$ ini kemudian dimasukkan ke komparator (misalnya LM311).

5. Komparator membandingkan $V_e$ dengan tegangan referensi. Jika frekuensinya sesuai dengan MARK (misal 1270 Hz), output komparator tinggi (+14 V); jika SPACE (misal 1070 Hz), output rendah (−5 V).

6. Output akhir berupa sinyal digital yang sesuai dengan bit data asli dari sinyal FSK yang masuk.

🔄 Inti Kerja PLL pada Kedua Rangkaian:

• Phase Detector membandingkan fasa antara input dan output VCO.

• Low-pass filter menghasilkan tegangan DC (error signal).

• VCO menyesuaikan frekuensinya berdasarkan tegangan error agar selaras dengan input.

• Jika sistem terkunci (locked), output PLL menjadi stabil dan teratur, baik sebagai pengganda frekuensi maupun sebagai detektor logika digital.

6. Ringkasan [kembali]

Ringkasan: Phase-Locked Loop (PLL)

Pengertian

Phase-Locked Loop (PLL) adalah rangkaian elektronik tertutup yang terdiri dari:

1. Phase Detector

2. Low-Pass Filter

3. Voltage-Controlled Oscillator (VCO)

Tujuan utama: mengunci frekuensi VCO agar selalu mengikuti frekuensi sinyal input.

Cara Kerja

1. Input signal (Vi) dan sinyal dari VCO (Vo) dibandingkan di Phase Detector.

2. Phase Detector menghasilkan tegangan keluaran Ve, yang mewakili perbedaan fasa antara kedua sinyal.

3. Ve masuk ke Low-Pass Filter → menyaring frekuensi tinggi → menghasilkan sinyal DC atau sinyal lambat.

4. Hasil filter dikirim ke VCO untuk mengatur frekuensinya.

5. Frekuensi VCO akan terus disesuaikan hingga terkunci (locked) dengan frekuensi input.

Fungsi Umum PLL

• Frequency Synthesizer: menghasilkan kelipatan frekuensi referensi

• FM Demodulator: mengubah sinyal FM ke audio

• Demodulasi digital FSK

• Digunakan pada modem, decoder, receiver telemetry, dan pelacak sinyal

Diagram Blok (Gambar 13.25)

1. Input Vi dibandingkan dengan Vo dari VCO oleh Phase Detector

2. Keluaran Ve → disaring oleh Low-pass filter → dikirim ke VCO

3. Output sinyal: hasil penguncian frekuensi antara Vi dan Vo

Tujuan Akhir Sistem

Menjaga agar frekuensi keluaran VCO tetap sinkron (locked) dengan frekuensi sinyal input, meskipun input bervariasi.

7. Problem [kembali]

✅ Problem 1: Sinkronisasi Sinyal

Soal:
Sebuah sistem komunikasi ingin menyinkronkan sinyal lokal dengan sinyal pembawa (carrier) dari pemancar. Namun, frekuensi sinyal lokal cenderung meleset beberapa Hertz dari sinyal pembawa, menyebabkan gangguan decoding data.
Pertanyaan:
Bagaimana penerapan Phase-Locked Loop (PLL) dapat menyelesaikan masalah ini? Jelaskan peran masing-masing blok dalam mengunci frekuensi dan fase sinyal output.

✅ Jawaban:

PLL bekerja dengan cara membandingkan fase sinyal input dengan sinyal dari VCO (Voltage-Controlled Oscillator) menggunakan Phase Detector. Jika terdapat selisih frekuensi atau fase, phase detector menghasilkan tegangan kesalahan (V_d).

• Tegangan ini disaring oleh low-pass filter, sehingga hanya perubahan lambat (DC component) yang diteruskan.

• Tegangan hasil filter mengontrol frekuensi VCO, agar mendekati sinyal input.

• Ketika frekuensi dan fase VCO sama dengan input, maka sistem dikatakan "locked" — artinya PLL telah berhasil menyinkronkan sinyal lokal dengan sinyal pembawa.

Dengan ini, sinyal lokal mengikuti sinyal referensi, sehingga sinkronisasi digital tetap terjaga.

✅ Problem 2: Demodulasi FSK

Soal:
Sistem FSK mengirim logika ‘0’ pada 2 kHz dan ‘1’ pada 4 kHz.
Pertanyaan:
Bagaimana PLL digunakan untuk mendeteksi kedua frekuensi tersebut? Jelaskan bagaimana tegangan keluaran (V_d) berubah dan menghasilkan sinyal digital.

✅ Jawaban:

Dalam FSK, frekuensi input berubah sesuai bit data. PLL menyesuaikan frekuensi VCO berdasarkan frekuensi input. Setiap perubahan frekuensi menyebabkan perubahan pada tegangan error (V_d) yang dihasilkan oleh phase detector.

• Ketika input = 2 kHz, PLL menghasilkan tegangan output tertentu (misalnya rendah).

• Ketika input = 4 kHz, PLL menghasilkan tegangan output lebih tinggi.

• Perbedaan V_d ini kemudian bisa dihubungkan ke komparator atau ADC untuk mendeteksi logika ‘0’ atau ‘1’.

Dengan demikian, PLL berperan sebagai demodulator FSK, mengubah variasi frekuensi menjadi sinyal tegangan DC yang dapat dibaca sebagai data digital.

✅ Problem 3: Efek Filter pada Stabilitas PLL

Soal:
Dalam simulasi PLL, low-pass filter diganti dengan kapasitor kecil, menyebabkan VCO berosilasi tidak stabil.
Pertanyaan:
Apa fungsi utama low-pass filter dalam PLL? Bagaimana pengaruhnya terhadap kestabilan V_d dan locking sistem?

✅ Jawaban:

Low-pass filter berfungsi untuk menghaluskan sinyal output dari phase detector, yang mengandung komponen frekuensi tinggi akibat perbedaan fase. Tanpa filter yang baik:

• Sinyal error V_d menjadi berisik atau berosilasi, menyebabkan VCO berubah-ubah secara tidak stabil

• Akibatnya, PLL sulit mencapai kondisi lock, atau sering kehilangan sinkronisasi.

Dengan filter yang tepat, hanya komponen DC yang lolos, sehingga PLL menghasilkan kontrol frekuensi yang halus dan stabil. Oleh karena itu, filter sangat menentukan respons dan kestabilan keseluruhan sistem PLL.

8. Soal Latihan [kembali]

Soal 1:

Komponen yang berfungsi menghasilkan sinyal osilasi yang frekuensinya dikontrol oleh tegangan dari phase detector disebut: A. Phase Comparator B. Filter C. VCO D. Amplifier ✅ Jawaban: C

Soal 2:

Tujuan utama penggunaan low-pass filter dalam rangkaian PLL adalah: A. Memperkuat sinyal keluaran dari VCO B. Menghilangkan noise dari sinyal input C. Mengubah sinyal digital menjadi analog D. Menghaluskan tegangan keluaran phase detector ✅ Jawaban: D

Soal 3:

Ketika PLL berhasil mengunci (lock) terhadap sinyal input, maka: A. Frekuensi VCO = Frekuensi input B. Phase detector menghasilkan noise tinggi C. Output PLL selalu nol D. Frekuensi output berubah terus menerus ✅ Jawaban: A

9. Percobaan [kembali]

Rangkaian 13.27

Rangkaian 13.28

10. Download File [kembali]

Rangkaian 13.27 [Download]

Video Rangkaian 13.27 [Download]

Rangkaian 13.28 [Download]

Video Rangkaian 13.27 [Download]

• Download Datasheet

resistor [download]

voltmeter [download]

amperemeter [download]

NE565 [download]

74LS90 [download]

2N2222 [download]

[menuju awal]