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Phase-locked loop

Bei einem Phase-locked loop (deutsch: Phasenregelschleife, abgekürzt PLL), handelt es sich um einen phasengekoppelten Regelkreis, eine häufig verwendete Schaltung der Elektronik, die u. a. für die Taktsynchronisation verwendet wird. Gewöhnlich wird auch ein integriertes elektronisches Bauteil als PLL bezeichnet, das hauptsächlich einen geregelten Oszillator darstellt, der einen phasengekoppelten Regelkreis benutzt, um sich auf eine Referenzfrequenz zu synchronisieren.

Inhaltsverzeichnis

Geschichte

Erste Forschungen zu dem, was später als PLL bekannt werden sollte, gehen zurück auf das Jahr 1932. Britische Forscher entwickelten damals eine Alternative zu Edwin Armstrongs Superheterodyn-Empfänger. Ziel war eine Empfängerschaltung, die vergleichsweise wenig abgestimmte Kreise erfordert. Das Problem der schnellen Abdrift des Lokaloszillators von der Sollfrequenz wurde durch ein Korrektursignal behoben, das dafür sorgte, dass zwischen diesen beiden Signalen die gleiche Phasenlage und Frequenz besteht. Die Technik wurde 1932 in einem Artikel von H. de Bellescise im französischen „Journal Onde Electrique“ beschrieben.

Die breite Anwendung begann jedoch erst mit der Vorstellung einer Reihe von Chips, die phasengekoppelte Regelkreise integrierten.

Beispielhaft für ein viel verwendetes Bauteil ist der 4046 aus der CMOS-Logikfamilie. Er enthält zwei, je nach Anwendungszweck, frei wählbare Phasenvergleicher.

Funktion

Analogie

Die Funktionsweise einer PLL kann mit dem Abstimmen eines Klaviers oder einer Gitarre verglichen werden: Die Frequenz, die die Stimmgabel erzeugt, entspricht der Referenzfrequenz aus einem Quarzoszillator. Der VCO (spannungsgeregelter Oszillator) repräsentiert die Klaviersaite. Man hat die Referenzfrequenz, die mit der Frequenz der Saite/VCO verglichen wird. In der PLL geschieht das durch den sogenannten Phasendetektor oder Phasenvergleicher. Wenn die Frequenz des Klaviers mit der aus der Stimmgabel nicht übereinstimmt, muss die (mechanische) Spannung der Saite verändert werden. Eine PLL arbeitet auf dieselbe Weise, nur dass der Phasendetektor den Oszillator automatisch nachstimmt.

Die Regelschleife mit Phasendetektor im PLL sorgt für ein phasengleiches Signal. Die Frequenz des Ausgangssignals der PLL (VCO-Ausgang) läuft, sofern nicht anders beschaltet, mit der gleichen Frequenz wie das Referenzsignal. Stellt man zwischen dem VCO-Ausgang und dem Komparator-Eingang ein Teilungsverhältnis n her, so läuft das Ausgangssignal des VCO zwar immer noch phasenstarr, aber mit der n-fachen Frequenz des Referenzsignals.

Beim Klavierstimmen wird hingegen lediglich ein Signal mit der gleichen Frequenz wie das Referenzsignal erzeugt, die Phasenlage spielt dabei keine Rolle.

Grundfunktion als Generator

Die Frequenz eines freilaufenden spannungsgeregelten Oszillators (VCO, voltage controlled oscillator) wird durch einen (i. A. einstellbaren) Teiler in den Frequenzbereich der Vergleichsfrequenz heruntergeteilt. Der Phasenunterschied zwischen der vom VCO abgeleiteten Frequenz und einer zweiten, meist quarzgesteuerten, hoch konstanten Vergleichsfrequenz, wird in einem Phasenvergleicher ermittelt und als Regelspannung wieder dem Oszillator zugeführt. Dadurch wird die Frequenz des Oszillators exakt auf das im Teiler eingestellte Vielfache der Vergleichsfrequenz geregelt.

Durch das Hochmultiplizieren der Vergleichsfrequenz wird dem Ausgangssignal der PLL allerdings eine Rauschkomponente hinzugefügt (Es wird nicht nur die Frequenz multipliziert, sondern auch die Schwankungen der Frequenz), die meist unerwünscht ist. Die Güte einer PLL bemisst sich deshalb insbesondere an der spektralen Reinheit und der Rauscharmut (v. a. Phasenrauschen) der Ausgangsfrequenz.

Die Arbeitsweise einer PLL lässt sich einfach beschreiben mit: "Vorgabe einstellen; Einstellung prüfen; ist die Einstellung ungenau, wird nachgeregelt. Anderenfalls nicht, und der Kreislauf beginnt von neuem."

Interessant ist dabei, eine Schaltung zu konzipieren, die den VCO in möglichst wenigen Zyklen auf die gewünschte Frequenz einregelt.

PLL-Regelkreis:

Bedeutung des Tiefpasses

Wenn die VCO-Frequenz von der Referenz abweicht, wird im Komparator ein Fehlersignal erzeugt, das den Oszillator nachgeregelt. Dabei wird die Frequenz wegen der unvermeidlichen Laufzeit in den Schaltungsbausteinen ein wenig über das Ziel hinausschießen, die VCO-Frequenz weicht nun in der anderen Richtung ein kleines Stück ab. Deshalb muss die Frequenz wieder nachgeregelt werden. Wenn das Nachregeln in sehr schneller Folge vorgenommen wird, kann es durch Laufzeiten zu einer Phasenverschiebung der Regelspannung kommen und die Gegenkopplung verwandelt sich in eine Mitkopplung, der Regler schwingt.

Deshalb muss eine Frequenzkompensation durch den Tiefpass (RC-Glied) erfolgen. Das führt jedoch zu einer Verzögerung des Regeleinsatzes. Damit wird ein von der Dimensionierung des Tiefpasses abhängiger Toleranzbereich eingefügt.

Im folgenden Diagramm ist der Verlauf der Regelspannung abgebildet (Die Abweichungen und der Toleranzbereich sind hier sehr groß). Innerhalb des grünen Bereiches würde demnach keine Nachregelung mehr erfolgen.

Der Tiefpass ist auch von grundlegender Bedeutung für die Funktionsweise des Phasendetektors. Wünschenswert als Ausgangssignal des Detektors wäre eine reine Gleichspannung, die direkt proportional zur Phasenverschiebung zwischen den Eingangssignalen des Detektors ist. Reale Phasendetektoren zeigen jedoch kein solch ideales Verhalten, sondern sind an ihrem Ausgang immer von verschiedenen Frequenzen überlagert. Werden diese Frequenzen nicht herausgefiltert, sondern direkt an den VCO weitergegeben, kommt es aufgrund dessen zu einer Frequenzmodulation des VCO.

Es gibt dennoch PLL-Varianten, die ohne Filter arbeiten. Sie werden PLL 1. Ordnung genannt.

Anwendung

Zur Erzeugung von stabilen Frequenzen bis in den GHz-Bereich (Funktechnik), Erzeugung von programmierbaren Frequenzen, Erzeugung von hochfrequenten Takten für Rechner sowie Synthesizer-Tuner, da mit Hilfe dieser Schaltungstechnik ein sehr exaktes Anwählen bzw. Ansteuern von Frequenzen möglich ist. Einerseits ist es möglich, mit einer festen Referenzfrequenz (Quarz-Oszillator) und einem variablem Feedback-Frequenzteiler eine präzise Ausgangsfrequenz zu erzeugen, was dem genannten Synthesizer-Prinzip entspricht. Andererseits kann man eine variable Frequenz mittels fest eingestelltem Feedback-Frequenzteiler mit einem fixen Faktor multiplizieren.

Neben der Anwendung als Frequenzerzeuger werden PLL-Schaltungen vor allem zur Demodulation von frequenz- oder phasenmodulierten Signalen, für Taktsynchronisation und Taktrückgewinnung eingesetzt.

Je nach dem, für welche Anwendung der PLL verwendet wird, unterscheidet sich auch, wo das Ausgangssignal abgegriffen wird. Die Frequenz des Oszillators wird z. B. bei Frequenz-Modulatoren verwendet, bei der Verwendung als Demodulator eines FM-Signals die Abstimmspannung des VCO.

Taktrückgewinnung: Einige Datenströme, besonders serielle Hochgeschwindigkeits-Datenströme (z. B. der Datenstrom des Magnetlesekopfes einer Festplatte), werden ohne getrenntes Taktsignal gesendet. Die Elektronik der Festplatte erzeugt nur eine recht ungenaue Taktfrequenz und passt diese dann mit Hilfe der Flanken im Datenstrom an. Damit das funktioniert, muss der Datenstrom natürlich genügend Flankenwechsel beinhalten. Das wird durch bestimmte Codierungen erreicht. Die Manchestermethode ist eine recht einfache und bekannte Form einer solchen Codierung.

Taktsynchronisation: Wenn parallel mit dem Datenstrom ein Takt gesendet wurde, so muss dieser, bevor er zur Verarbeitung der Daten genutzt werden kann, wiederaufbereitet werden. Das kostet jedoch einige Zeit, sodass Takt und Daten zunächst nicht mehr synchron zueinander sind. Der PLL sorgt dafür, dass der wiederaufbereitete Takt und der ursprüngliche Takt (und somit die Daten) wieder synchron sind.

Siehe auch: Frequency Locked Loop (FLL), Direct Digital Synthesis (DDS), Delay-Locked Loop (DLL)

Literatur