PLL Veronica: Parte 1 - Sobre o Projeto

Construindo o Transmissor PLL Veronica - Parte 1

Nota: Primeiramente, informo aos colegas que neste blog, não tenho qualquer pretensão de ensinar eletrônica ou radiofrequência ou de ser um escritor, mas apenas compartilhar com os colegas minhas experiências neste hobby e contribuir para a troca de conhecimento.

O transmissor de FM PLL Veronica sempre me despertou curiosidade pela topologia de seu oscilador e pela sua quantidade de integrados. Ele é muito famoso na internet e nela circulam algumas versões de esquemáticos completos. 

Eu sempre tive esses esquemas guardados comigo, mesmo incompletos, e depois de muito tempo me desafiei a construí-lo, mesmo sabendo da sua complexidade. E o desafio ficou ainda maior quando decidi que não usaria o desenho da placa disponibilizada com esses esquemas, mas eu redesenharia uma nova placa, elaborando um layout do zero, passando a limpo o projeto e adequando o circuito a uma placa vendida comercialmente já cortada no tamanho de 15cm x 15cm. 

Especificações Técnicas

As descrições técnicas disponibilizadas no site oficial dão as seguintes informações:

• Frequência 87,5 - 108 MHz
• Saída RF 1W a 1,4W em 50 Ohm
• Estabilidade de Sensibilidade de Desvio +/-2% máx.
• Emissões espúrias >75dB rtc
• Emissões Harmônicas > 63dB rtc
• Silenciamento de RF fora de bloqueio >63dB rtc
• Estabilidade Freq +/- 1 KHz max, tip. +/-300Hz
• Conector de Saída RF SO239
• Sensibilidade de entrada de áudio 0dBu para +/- 75 KHz
• Relação sinal-ruído 80 dBu
• Resposta de áudio plana de 30Hz-76KHz
• Pré-ênfase (50uS/75uS/Nenhuma)
• Distorção de áudio superior a 0,2% THD
• Bloco terminal não balanceado de entrada de áudio
• Fonte de alimentação 12-15V DC 650mA máx.

Descrição Oficial 

O PLL Veronica de 1W foi comercializado pela primeira vez em 1996 e por muito tempo foi a escolha favorita para engenheiros de transmissão em todos os níveis, desde o amador até o operador licenciado profissional. No início de 1998, o PLL 2 foi lançado e, em janeiro de 2000, a versão mais recente foi lançada, o PLL 3 'Easy-Tune™'.

Este sintetizador PLL foi especialmente projetado para FM de banda larga de alta qualidade com uma resposta de frequência de áudio quase plana de 30Hz a 76KHz com pré-ênfase selecionável. Esse importante recurso fornece separação estéreo ideal quando usado com um codificador estéreo. CDs e outras fontes de áudio são reproduzidos com a melhor clareza. Tal como acontece com o PLL original e o PLL 2, não é necessário equipamento de teste caro para configurar o transmissor. A configuração da unidade pronta para transmissão é facilitada usando os LEDs integrados que indicam a saída de energia e as condições de bloqueio.

O Veronica PLL é conhecido em todo o mundo como equipamento de classe profissional com excelente custo-benefício. Milhares de estações em todo o mundo agora usam produtos Veronica para transmissão de alta qualidade.

Introdução

Se você é daqueles que coleciona ou pesquisa projetos diversos de transmissores de FM já deve ter-se deparado com em esse circuito. Eu sempre tive um ou outro arquivo dele nos meus backups e com o tempo ele foi me despertando mais curiosidades. O que mais chamava a atenção, sem dúvidas, era o VCO. Ele usa 4 transistores BF494 e uma bobina relativamente grande, diferente de tudo que eu já tinha visto até aqui. Então, certo dia, eu resolvi me debruçar sobre ele e passei a procurar toda informação que eu pudesse encontrar. Foi quando eu encontrei dois esquemáticos completos e uma vasta troca de informações entre montadores hobbystas do mundo inteiro, tanto em fóruns ativos como em fóruns já desativados.

Tenho 3 diagramas desse PLL

Diagrama 1 - Original

O circuito abaixo é oficial, amplamente divulgado na internet.

Diagrama 2

O circuito seguinte é uma segunda versão um pouco modificada e é a que os hobbystas mais montam.

Diagrama 3

É uma versão simplificada, onde separaram o circuito transmissor do circuito PLL

Circuito PLL

Circuito Transmissor

As diferenças entre o esquemático original para os amadores são os seguintes:

1. O segundo diagrama usa um único par de varicaps tanto para a tensão de sintonia quando para o áudio. A versão original usa varicaps independentes;
2. O transistor de saída SD1127 foi substituído por um 2N4427;
3. Não foi empregado o recurso de corte de RF caso o PLL perca o locke;
4. Não tem ajuste de potência de saída;
5. Diminuíram a quantidade de bobinas de filtro de saída. 

Antes de começar a montagem, eu reuni todos estes diagramas e passei um bom tempo procurando diferenças entre eles em busca de algum erro que pudesse me confundir e impedir o circuito de funcionar. Se logo no começo eu achasse discrepâncias entre os esquemas eu teria que fazer uma pesquisa ainda maior de como esse circuito funciona para ter alguma segurança na construção. O circuito é complexo e minha limitação na eletrônica não permite que eu ache os erros facilmente.

Analisando o circuito eu encontrei poucas diferenças, nenhuma significativa, por exemplo, sobre o resistor de 1k5 no circuito integrado 74LS86, que foi empregado em um esquemático mas em outro não.

Minha ideia em uma situação como essa é manter o espaço para o resistor na placa e decidir posteriormente se faço uso dele ou não.

Outras pequenas diferenças foram encontradas como valores de resistores diferentes para os leds e valores diferentes para capacitores no oscilador. Eu posso lidar com isso tranquilamente.

Em alguns sites, levantaram dúvidas sobre possíveis erros no layout compartilhado e isso me deixou muito intrigado.

Por isso eu tinha que elaborar o layout do zero, pois somente assim eu teria segurança que ele não teria erros em relação ao esquemático.

Experiencia anterior

Eu já montei esse circuito duas vezes. A primeira foi mais com o objetivo de testar o circuito PLL e certificar que os esquemas que eu tinha não apresentava erros, portanto eu não me preocupei em empregar todos os recursos secundários como o ajuste de potência, corte de RF (PLL Unlocke), bobinas de filtro e outros. Eu também estava um pouco confuso quanto aos circuitos integrados da família TTL. Esses integrados tem em suas nomenclaturas letras que indicam a frequência de trabalho, por exemplo: a maioria deles tem apenas as letras LS, 74LS193, 74LS76, 74LS86. Mas apenas o integrado prescaler tem as letras ALS - 74ALS74, pois é o único que precisa trabalhar acima dos 50MHz. O 74F74 também pode ser usado pois trabalha com 100MHz. 

Bem, já na  segunda placa, eu adicioneis todos esses recursos que funcionaram muito bem, embora, depois de montada, eu precisei fazer poucos ajustes no arranjo dos componentes como por exemplo em relação ao tamanho do resistor que polariza o zener que alimenta o VCO, passando de 1/4 de watt para 1/2 watt, e alguns capacitores que ficaram muito próximos... Em ambas as versões eu tinha empregado um circuito pré amplificador de áudio com o TL071 e conclui que ele não é necessário. 

Da soma de todos os pequenos ajustes eu estou construindo minha terceira placa que considero a placa final - "a mágica do número 3", que será construída a partir da primeira placa que será desmontada.

Portanto, compartilho com vocês minha experiência de como é construí-lo, com todos os tropeços que tive e de cara já adianto - não é um circuito fácil.

Sobre o VCO

O VCO opera com dois transistores BF494 (TR2 e TR3) em contrafase que trabalham a meia frequência de saída, em torno dos 50MHz. Essa topologia proporciona uma excelente estabilidade e baixo nível de ruído branco por estar relativamente longe da frequência máxima de saída do transistor. Outros dois transistores BF494 são empregados sendo um deles (TR5) para retirada do sinal de amostra para o circuito PLL e o outro transistor (TR4) é o espelho de TR5, com a  função de não deixar o circuito "penso" para um lado, dificultando o travamento do VCO.

No coletor dos dois transistores (TR2 e TR3, imagem acima) as frequências se somam e são encaminhadas para a etapa seguinte para amplificação.

Antes de eu me aventurar na construção do PLL completo montei uma placa somente para testar o VCO e pude comprovar sua excelente estabilidade além da ótima qualidade de modulação.

A forma que esse VCO abre cada canal de FM trabalhando perfeitamente a banda resulta em uma ótima qualidade de modulação quando se emprega circuitos Codificadores Estéreo.

Layout

Mas por que não usar o layout original, popularmente usado pelos hobbystas no mundo?

Como eu expliquei antes, eu não tinha certeza de que esse layout disponibilizado era fiel ao esquema correspondente. Essa é uma desconfiança que vem desde minha iniciação na eletrônica, onde eu montava os circuitos das revistas de eletrônica que vinham com muitos erros, e, bem antes de me aventurar neste projeto, eu montei um circuito de codificador estéreo também da Veronica e o desenho da placa fornecido tinha erros em relação ao esquemático. Portanto, devido a complexidade do circuito, apenas estudar esse layout compartilhado não era suficiente para mim. Eu tinha mais segurança começando do zero. 

A placa também deveria caber em um gabinete de ferro que tenho a tempos.

Diferença entre o tamanho da placa original e a que eu desenhei:

Montagem da primeira placa

Abaixo o desenho da minha primeira placa. Vendo a imagem lembrei de algumas modificações desnecessárias que fiz como usar um choque de RF na tensão de sintonia, isolando o PLL e o VCO. O primeiro transistor amplificador usei um BF199 em vez de um 2N4427 e o transistor de saída está em classe A ao invés de classe C.

Layout do primeiro circuito montado

Foto do primeiro circuito montado

Acima uma foto do primeiro PLL Veronica que construí e que nos testes ele foi bem sucedido. Configurei o PLL para 96,1MHz e ao ajustar o trimmer ele travou de primeira. O PLL tem muito atraso na correção, o que aumenta a qualidade da modulação mas dificulta a sintonia pelo trimmer que deve ser girado muito lentamente.

Como eu disse antes, essa primeira placa era um protótipo, para saber que eu estava no caminho certo, que o PLL realmente funcionava, que todos os integrados foram adquiridos corretamente e que eu não havia cometido nenhum erro ao refazer o layout. Apesar de ela ser bonita, como era um teste, eu não adicionei todos os recursos "secundários", como ajuste de potência de saída, corte de RF quando o PLL destravar, etapas de saída originais... etc.

Comprovado o funcionamento do circuito e verificado que os esquemas e meu layout não tinham erros, então eu parti para a segunda placa adicionando os recursos secundários.

Segunda placa

A segunda placa ficou linda e funcionando maravilhosamente bem. O controle de ajuste de potência de saída e o recurso de corte de RF na perda do travamento do PLL funcionam muito bem também. 

Pode-se notar que ela tem uma única trilha correndo sobre a placa. Essa trilha é do recurso de corte de RF caso o PLL destrave.

Em ambas as placas eu empreguei um pré amplificador de áudio com o TL071 e ele se mostrou desnecessário pois o VCO tem sensibilidade suficiente para sinais de baixa intensidade, alem do que, o pré amplificador distorce sutilmente o sinal do meu circuito codificador estéreo.

Enfim, como eu terei duas placas funcionando, a primeira será desmontada para a construção da terceira. As modificações que fiz no circuito final foram tantos que a primeira placa ficou desatualizada.

Minhas Modificações

Em ambas as placas eu fiz pequenas modificações em relação ao projeto original

Na segunda placa, por exemplo, eu empreguei os recursos secundários e tive de fazer pequenos ajustes como por exemplo: o resistor de polarização do diodo zener que alimenta o VCO precisa ter dissipação de pelo meno ½W pois ele aqueceu em funcionamento, principalmente quando eu reduzi a tensão de alimentação substituindo o zener de 7v5 por um de 5v. 

O resistor ficou na vertical por falta de espaço na horizontal. Isso está corrigido na terceira versão:

O mesmo vale para o resistor antes do regulador 7805 - tem que ter pelo menos 1/2 watt.

Também modifiquei o controle de potência de RF. No projeto original, um trimpot controla diretamente a alimentação do penúltimo transistor. Eu não fiquei seguro de que um simples trimpot tem capacidade para suportar essa corrente de alimentação, então eu usei um TIP41C para controlar essa corrente.

Controle de Potência Original

Controle de Potência modificado

O projeto original usa na saída um transistor SD1127 e uma quantidade muito grande de bobinas para o filtro. Como o circuito será montado em uma placa de 15x15 cm, não usarei essas bobinas por uma questão de espaço. Elas poderão ser empregadas em uma placa à parte.

Filtro de saída original

O transistor SD1127 será substituído por mais um 2N4427 ou 2N3553.

Uma outra alteração de valor de componente é sobre os leds locke/unlocke que piscam bastante, segundos antes do travamento do PLL. Esse "pisca-pisca" é transferido ao transistor de saída que fica ligando e desligando até o PLL travar. Eu resolvi essa situação alterando o valor do capacitor de amortecimento dessa função.

O valor de 1nF subiu para 10uF e o comportamento mudou para melhor. Agora o sinal de RF é liberado após 1~2 segundos do travamento.

Problemas no funcionamento

Problema nº 1 - Instabilidade do VCO

Descrevo agora um enorme problema que o PLL apresentou e que eu demorei para solucionar, que é o seguinte: para construir o PLL eu começo, naturalmente,  pelo VCO. Como ele usa varicaps independentes para a modulação, eu adicionei somente estes para testa-lo, não instalando por hora, os varicaps de sintonia.

Como era hora de montar a etapa do circuito PLL, eu instalei os varicaps de sintonia, além de todos os integrados e demais componentes, MAS O PLL NÃO TRAVOU! Não é que ele não travou, o transmissor ficou todo "doido", funcionando muito mal, intermitente e tinha momentos que nem funcionava. O VCO parava de oscilar o tempo todo e eu não sabia o que estava acontecendo.

Comecei a pesquisar onde estava o problema e primeiramente isolei o circuito PLL do VCO, ficando um VCO livre e mesmo assim ele estava ruim. Desconfiei dos varicaps, pois lembrei que foi depois de instala-los que a coisa ficou feia e ao remover os varicaps de sintonia (2x BB809) o VCO voltou a funcionar de maneira estável. Desconfiando desses varicaps, eu os substitui por dois BB405 e o problema voltou. Analisando o circuito no dia seguinte, e poupando vocês do tempo que eu gastei, o erro estava no esquemático original, pelo menos eu considero um erro.

Reparem que no anôdo dos varicaps de modulação existe um resistor em paralelo com um capacitor. 

A função desse capacitor em série é diminuir o valor do varicap e a função do resistor é de garantir a passagem de tensão. Reparem também que os varicaps de sintonia, enquanto um deles está ligado diretamente a um extremo da bobina,  o outro varicap tem apenas um resistor em série mas sem o capacitor em paralelo.

 Isso estava matando a oscilação do VCO, deixando-o inoperante. Então, tal como nos varicaps de modulação, eu coloquei um capacitor de 68pF em paralelo com o resistor de 680R e o VCO passou a funcionar perfeitamente. Fiz um outro teste removendo capacitor e o resistor de 680R e os substituí por um jumper (usei como jumper um resistor de 1R), e o VCO seguiu funcionando perfeitamente. Caramba, que trabalho! Na solução do problema eu tinha trocado os varicaps, capacitores, resistores e até os transistores.

Para resolver esse problema de vez eu copiei o esquema da modulação, usando um resistor de 3k3 e um capacitor de 68pF em paralelo.

Problema nº 2 - Instabilidade no PLL

Um outro problema que a segunda placa apresentou foi o não travamento de frequências superiores a uns 96MHz, mesmo o VCO livre alcançando todo o Dial. Esse problema se manifestou da seguinte maneira: Após eu montar o VCO, instalei os componentes do PLL e testei seu travamento e tudo funcionou perfeitamente. Depois disso, eu instalei os transistores amplificadores de RF e ao testar o circuito completo o PLL não travava direito. Quer dizer, ele travava nas frequências da metade do dial para baixo, mas acima disso ele não conseguia. Depois de muito pesquisar descobri que o problema era a bobina de coletor dos transistores osciladores.

A lista de componentes informa que esta bobina tem que ter 5 espiras de um fio fino com 7mm de diâmetro. Essa é uma informação vaga para mim pois não sei o quer dizer "fio fino". 

Então eu olheis as fotos originais:

Na foto a bobina me parece ter um fio de 0,8mm que a copiei fielmente, mas só descobri o problema quando inseri um ferrite no núcleo dessa bobina alterando drasticamente sua indutância e só assim o PLL passou a travar nas frequências mais altas. É por esse motivo que sempre reparei que nas montagens amadoras ninguém usa naquele indutor uma bobina com núcleo de ar mas sim um choque de RF:

Layout

Enquanto a placa de circuito impresso virgem não chega, vou fazendo ajustes finos no layout que no momento está assim:

As linhas pontilhadas delimitam a parte de RF.

Como se nota, a placa é dupla face de fibra de vidro. Uma placa dupla face me permite distribuir uma grande área de aterramento contribuindo muito para a estabilidade do circuito, e como no circuito anterior, o VCO será blindado com uma caixa feita de folha de metal.

Na parte do PLL, com o intuito de aproximar os componentes e diminuir a quantidade de jumpers usados no circuito original, abusei do recurso de passar trilas entre os terminais dos integrados:

Construindo o PLL Veronica - Parte 2

Construindo o PLL Veronica - Parte 3