LM565 Fasevergrendelingslus (PLL) IC: Handleiding & Toepassingen

Wat is de LM565?

De LM565 is een klassieke, monolithische fasevergrendelingslus (PLL) van Texas Instruments (voorheen National Semiconductor). Het bevat een fasevergelijker, een spanningsgecontroleerde oscillator (VCO) en een versterker in een 14-pins DIP/SOIC behuizing. Ondanks haar leeftijd (geïntroduceerd in de jaren '70) blijft het een populaire keuze voor educatieve doeleinden, FM-demodulatie, toondetectie en frequentiesynthese.

Pinconfiguratie (14-pins DIP)

Belangrijkste Specificaties

• Voeding: ±5 V tot ±12 V (totaal 10-24 V)
• Voedingstroom: ~12,5 mA typisch
• VCO frequentiebereik: tot 500 kHz
• VCO frequentiestabiliteit: 200 ppm/°C
• Demodulatie lineariteit: 0,2% typisch
• Vergrendelbereik: ±60% van vrije-loopfrequentie
• Vangstbereik: kleiner dan vergrendelbereik
• Temperatuurbereik: -55 °C tot +125 °C (militaire), 0 °C tot +70 °C (commercieel)

Blokdiagram & Werking

      +Vin (pin 2/3) ──→ [Fasevergelijker] ──→ [Laagdoorlaatfilter] ──→ [Versterker] ──→ VCO (pin 4)
                                    ▲                                              │
                                    │                                              │
                                    └────── Terugkoppeling (pin 5) ←───────────────┘

De fasevergelijker produceert een spanning evenredig aan de faseverschil tussen ingangssignaal (f_in) en VCO uitgang (f_out). Het laagdoorlaatfilter verwijdert hoogfrequente componenten. De resulterende DC-spanning stuurt de VCO. In vergrendelde toestand is f_out = f_in (of een veelvoud ervan met frequentiedeler in de lus).

Vrije-loopfrequentie Instellen

De vrije-loopfrequentie (f_0) wordt bepaald door R1 (pin 8) en C1 (pin 9):

f_0 ≈ 1,2 / (R1 × C1)   [Hz]

Geldig voor: 2 kΩ ≤ R1 ≤ 20 kΩ, C1 willekeurig (typisch 100 pF – 1 µF).
Voorbeeld: R1 = 10 kΩ, C1 = 10 nF → f_0 ≈ 12 kHz.

Toepassingsschakelingen

1. FM Demodulator (Monofone FM Radio)

FM In (10,7 MHz IF) → Pin 2 (via koppelcondensator 10 nF)
Pin 3 → GND (via 10 nF)
Pin 4 → Pin 5 (directe terugkoppeling)
Pin 7 → Demoduleerde audio uitgang (via laagdoorlaatfilter 10 kΩ + 10 nF)
R1 = 5 kΩ, C1 = 100 pF → f_0 ≈ 2,4 MHz (vereist 10,7 MHz IF → frequentiedeler /10 nodig!)

Let op: De LM565 kan maximaal ~500 kHz. Voor 10,7 MHz IF is een prescaler (bijv. 74HC390 /10) noodzakelijk. Voor educatieve doeleinden gebruik een lagere IF (bijv. 455 kHz) of een moderne PLL (LMX2306, ADF4106).

2. Toondetectie (Bijv. 1 kHz Toon)

Audio In → Pin 2 (via 1 µF)
Pin 3 → GND (via 1 µF)
Pin 4 → Pin 5
Pin 7 → Uitgang → Laagdoorlaatfilter (10 kΩ + 1 µF) → Comparator (LM393) → LED
R1 = 12 kΩ, C1 = 100 nF → f_0 ≈ 1 kHz

De uitgangsspanning op pin 7 is maximaal wanneer de invoerfrequentie overeenkomt met f_0. Een comparator detecteert dit.

3. Frequentievermenigvuldiger (×N)

Pin 4 → [Frequentiedeler /N] → Pin 5
Ingang → Pin 2/3
Uitgang (N×f_in) → Pin 4

De VCO loopt op N×f_in. De frequentiedeler brengt dit terug naar f_in voor de fasevergelijker. Werkt betrouwbaar tot ~100 kHz met CMOS-delers (4017, 4059).

4. FSK Demodulator (Bijv. Bell 202: 1200/2200 Hz)

Stel f_0 in op middenfrequentie (1700 Hz). De VCO-besturingsspanning (pin 7) volgt de frequentieschuifling. Een comparator met drempelwaarde demoduleert de data.

Moderne Alternatieven

Praktische Tips

• Gebruik altijd een laagdoorlaatfilter tussen fasevergelijker en VCO (R = 3,3-10 kΩ, C = 10-100 nF). Zonder filter: instabiliteit, oscillatie.
• Koppel condensoren (100 nF keramisch) zo dicht mogelijk bij pin 1 en 10 aan GND.
• Houd de VCO-frequentie < 300 kHz voor beste stabiliteit en lineariteit.
• Voor single-supply (0-10 V): pin 1 aan GND, pin 10 aan +10 V, pin 6 (ref) geeft ~3,4 V als virtuele massa. Bias ingangen naar pin 6.
• Meet de vergrendelbereik: varieer invoerfrequentie en noteer waar vergrendeling ontstaat/verdwijnt.

Conclusie

De LM565 is een veelzijdige, goed gedocumenteerde PLL die ideaal is voor leren en basistoepassingen tot ~500 kHz. Voor moderne RF-toepassingen, hogere frequenties of betere fase-ruisprestaties zijn geïntegreerde RF-PLL's superieur. Begrijpen van de LM565 legt de basis voor alle PLL-ontwerp: fasevergelijking, filterontwerp, VCO-karakteristieken en vergrendeldynamica.