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
50 Jahren, wurde der Phasenvergleich mit einem Dioden-Ringmischer
realisiert, denn damals gab es noch keine Logik-ICs.
Kaum zu glauben, aber PLL 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.
Seht euch ruhig noch mal die drei Timingdiagramme
an und verschiebt in Gedanken die Phasenlage zwischen
VCO- und Referenzfrequenz, und beobachtet 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.
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.
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.
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.
Durch die exakt gleiche Phase beider Frequenzen kann
man mit Hilfe eines EXOR-Gatters
ein LD-Signal (Lock detect) ableiten.
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).
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 findet man diesen Frequenz-Phasendetector
und das EXOR-Gatter wieder.
Um einige Beispiele zu nennen, soll erst mal der CD4046,
MC145158 und TBB206 genügen.
wird fortgesetzt.
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