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Crashkurs PLL

Grundlagen: PLL-Synthesizer / PLL-Oszillator / PLL-Design


So funktioniert der Phasenvergleich im Phasendetector

Diese Seite gibt einen Überblick über einige Arten von Phasendetectoren und deren Funktion. Besonders interessant für die Praxis ist der Frequenz-Phasendetector.

Wo fang ich nur an. Früher, ich meine so vor 80 Jahren, wurde der Phasenvergleich mit einem Dioden-Ringmischer realisiert, denn damals gab es noch keine Logik-ICs.
Kaum zu glauben, aber PLL (phase locked loop) ist nun wirklich nichts Neues, und immer noch aktuell.

Der Ringmischer unterdrückt ja nun seine Eingangssignale. Herauskommen nur die beider Mischprodukte "Summe" und "Differenz".
Sind jetzt beide Eingangsfrequenzen gleich, entspricht das Summenprodukt der doppelten Frequenz und das Differenzprodukt ist gleich Null, also eine Gleichspannung. Die höhe dieser Gleichspannung repräsentiert die Phasenlage der beiden Eingangsfrequenzen zueinander. Ein nachgeschaltetes Tiefpassfilter unterdrückt das Summenprodukt und fertig ist die Abstimmspannung, mit der der VCO abgestimmt wird.

Heutige Phasendetectoren sind natürlich digital, aber dem ursprünglichen Ringmischer zum Teil doch sehr ähnlich.

Als erstes betrachten wir mal das EXOR-Gatter als Multiplizierer

Was ein EXOR-Gatter ist weis sicher jeder, nämlich ein Logik-Gatter bei dem ausschließlich ungleiche Eingangspegel "H" ergeben, gleiche hingegen immer "L". Das folgende Bild soll das verdeutlichen. Das linke und mittlere Timingdiagramm zeigt zwei Extreme.

Links liegen VCO- und Referenzfrequenz in Phase und damit der EXOR-Ausgang immer auf "L". (Durch diesen Umstand läßt sich das EXOR als "Lock Detect"-Signal verwenden.)

In der Mitte haben Beide eine Phasendifferenz von 180° und damit ist der EXOR-Ausgang immer auf "H".

Das rechte Diagramm zeigt eine Phasendifferenz von 90°, bei der das EXOR eine Rechteckspannung oder auch eine Pulsweitenmodulation mit der doppelten Frequenz der Eingangssignale abgibt.

Wir erinnern uns, der Ringmischer lieferte ja die Summe und die Differenz der beiden Eingangsfrequenzen, also die doppelte Frequenz und eine Gleichspannung. Und genau das liefert auch das EXOR-Gatter. Man könnte durchaus ein EXOR-Gatter mit einem Ringmischer gleich setzen, zumindest wenn man die Ergebnisse betrachtet.

Die rote Linie zeigt die mittlere Gleichspannung nach der Integration der Pulsweitenmodulation im anschließenden Tiefpassfilter.

Sehen Sie sich ruhig noch mal die drei Timingdiagramme an und verschiebt Sie in Gedanken die Phasenlage zwischen VCO- und Referenzfrequenz, und beobachten Sie wie sich die Pulsweitenmodulation (Abstimmspannung) verändern würde.

Der flankengetriggerte Phasendetector

Im Vergleich zum EXOR-Detector ändert sich das Ausgangssignal nur mit steigender Flanke der Eingangssignale.

Das folgende Bild zeigt, daß die steigende Flanke der Referenzfrequenz den Ausgang auf "H", und die steigende Flanke der VCO-Frequenz den Ausgang auf "L" setzt. Die fallenden Flanken haben keine Auswirkungen auf das Ausgangssignal.

Phasendetector

Dadurch hat das Tastverhältnis der beiden Eingangssignale keinen Einfluß auf die Abstimmspannung mehr, wie das noch beim EXOR-Detector der Fall war.

Sowohl das EXOR-Gatter als auch der flankengetriggerte Phasendetector liefern eine Pulsweitenmodulation. Der nachgeschaltete Tiefpassfilter kann die Frequenz der Pulsweitenmodulation nicht restlos vom Eingang des VCOs fernhalten. Der VCO wird damit moduliert und es entstehen unerwünschte Seitenbänder. Die VCO-Frequenz ist sehr unsauber.

Ein weiteres Problem dieser Phasendetektoren ist, das der Fangbereich im Verhältnis zum Abstimmbereich relativ klein ist. Dadurch gibt es Schwierigkeiten mit dem Einrasten. Eine "Einrasthilfe" ist dann erforderlich.

So, ich belasse es jetzt mal dabei und komme zu einem wichtigen Vertreter der flankengetriggerten Phasendetectoren.

Der Frequenz-Phasendetector

Der Frequenz-Phasendetector hat grundsätzlich keine Probleme mit dem Einphasen. Er kann sowohl die Frequenzdifferenz als auch die Phasendifferenz erkennen. Somit ist der Fangbereich gleich dem Abstimmbereich.

Schon mal ein großer Vorteil gegenüber den bisher besprochenen Phasendetektoren.

Den Frequenz-Phasendetector kann man sich so vorstellen. Bestehend aus zwei D-Flip-Flops deren D-Eingänge immer auf "H" liegen. Somit wird jedes Flip-Flop mit steigender Flanke am CLK-Eingang auf "H" gesetzt. Beide FF-Ausgänge Q sind über ein AND-Gatter mit ihren Reset-Eingängen verbunden. Sind beide FF-Ausgänge Q auf "H" werden sie sofort durch die AND-Verknüpfung (Reset) auf "L" gesetzt. Soweit so gut.

Betrachten wir mal das erste Bild. Die L/H-Flanke der Referenzfrequenz trifft vor der L/H-Flanke des VCOs ein. Die VCO-Flanke trifft also zu spät ein, das könnte an einer zu niedrigen Frequenz liegen, oder auch nur eine Phasendifferenz sein. Bis zum Eintreffen der VCO-Flanke, und dem damit verbundenen Reset, ist der UP-Ausgang auf "H". Die dadurch entstehenden up-Impulse erhöhen die Abstimmspannung und damit die VCO-Frequenz bis die VCO-Frequenz und Referenzfrequenz exakt gleiche Phasenlage haben.

Frequenz-Phasen-Detector up

Im nächsten Bild trifft VCO-Flanke früher als die Referenzflanke ein. Dadurch entstehen down-Impulse, die die VCO-Frequenz verringert, bis die VCO-Frequenz und Referenzfrequenz exakt gleiche Phasenlage haben.

Frequenz-Phasen-Detector down

Hier sieht man schon einen weiteren Unterschied zu den vorherigen Phasendetectoren, denn die Abstimmspannung wird durch up- und down-Impulse eingestellt und repräsentiert nicht mehr die Phasenlage zwischen VCO- und Referenzfrequenz.
Die VCO- und Referenzfrequenz liegen nämlich exakt in Phase, wenn die PLL eingerastet ist. An den up- und down-Ausgängen sieht man nur noch Nadelimpulse, die durch die Laufzeit in der Reset-Logik entstehen.

Ok, etwas fehlt da noch.
Das Schleifenfilter (Tiefpass) muß noch irgendwie mit den up/down-Impulsen angesteuert werden. Einige PLL-IC führen die up/down-Impulse direkt nach Außen um damit ein aktives Schleifenfilter (Operationsverstärker) ansteuern zu können.

PLL-ICs haben natürlich auch eine interne Schaltung, die mit den up/down-Impulsen das Schleifenfilter ansteuert.

Das folgende Bild zeigt das Prinzip dieser Schaltung. Die beider FET-Transistoren werden als Schalter benutzt. Das Schleifenfilter ist vereinfacht als Tiefpass, bestehend aus R und C, dargestellt. Das funktioniert so als einfacher Tiefpass meistens nicht, aber dazu später mehr unter Schleifenfilter (Tiefpassfilter).

Phasendetector OUT

Ein up-Impuls schaltet die Betriebsspannung UB auf den PD-Ausgang und lädt damit den Kondensator C über den Widerstand R nach. Die Abstimmspannung erhöht sich.

Ein down-Impuls schaltet den PD-Ausgang auf Masse und entlädt damit den Kondensator C über den Widerstand R. Die Abstimmspannung verringert sich.

Liegen keine up/down-Impulse an, ist der PD-Ausgang 3-state. Es fliest kein Strom über den Wiederstand R und die Abstimmspannung über Kondensator C wird nicht beeinflußt.

Ja zugegeben, die Darstellung mit den zwei FET-Transistoren ist etwas vereinfacht, in Wirklichkeit handelt es sich natürlich um zwei Konstantstromquellen. Bei manchen PLL-ICs läßt sich der Konstantstrom zwischen verschiedenen Werten umschalten. Sinn und Zweck dieser Konstandstromquellen ist es, daß sich die Abstimmspannung linear über dem gesamten Abstimmbereich bewegen läßt. Die Lade- und Entladekurve eines Kondensators ist eben nicht linear, wenn man nur eine konstante Spannung anlegen würde.

In den meisten PLL-ICs werden Sie diesen Frequenz-Phasendetector und das EXOR-Gatter wiederfinden. Um einige Beispiele zu nennen, soll erst mal der CD4046, MC145158 und TBB206 genügen.

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