Basiswissen Elektronik:

PLL: so funktioniert's


Features:

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  • So funktioniert eine PLL

Schaltbild PLL-Schaltung

Bild 1: Eine Phase Locked Loop mit PLL-IC CD4046. Quelle: mikrocontroller.net.

Basiswissen:

Funktionsweise der PLL

In vielen elektronischen Schaltungen findet man eine PLL (englisch: phase-locked-loop). Wie diese funktioniert, wird hier ohne viel Mathematik erklärt. Der Zweck eines Phasenregelkreises besteht darin, ein Oszillatorsignal zu generieren, das frequenz- und phasenrichtig mit einem Eingangssignal übereinstimmt oder von diesem abgeleitet wird. Die PLL wird zur Erzeugung von Frequenzen, zur PM-Demodulation und FM-Demodulation, zur Trägerrückgewinnung und Taktrückgewinnung benutzt.

Die Zutaten

Für die PLL-Schaltung benötigen wir einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO), denn der Sinn der PLL ist es, stabil geregelte Frequenzen zu erzeugen. Über die zugeführte Spannung steuert man bei einem VCO die erzeugte Frequenz, er wandelt somit eine Spannung in eine Frequenz um oder kurz ausgedrückt: Die Steuerspannung bestimmt die Frequenz des Oszillators. Weiterhin braucht es einen Referenz-Oszillator, der eine definierte Frequenz bereit stellt. Dazu gesellt sich ein Baustein, den man Phasenkomparator nennt und dazu dient, zwei Frequenzen und deren Phasenlage miteinander zu vergleichen. Der Phasenkomparator, auch als Phasendetektor bezeichnet, besitzt also zwei Eingänge für Frequenzen und liefert an seinem Ausgang in Verbindung mit einem Schleifenfilter eine Gleichspannung, die Regelspannung. Ein einstellbarer Frequenzteiler komplettiert die PLL-Schaltung. Phasenvergleicher und Schleifenfilter bilden eine Einheit. Ohne Schleifenfilter liefert der Phasenvergleich keine Gleichspannung / Abstimmspannung. Erst die Integration der Impulse - je nach Bauart des Phasenvergleichers - ergibt die Abstimmspannung im Schleifenfilter.

Bild 2: Die PLL: eine Regelschleife.

Betrachten wir Bild 2. Der hochwertige Referenz-Oszillator liefert in diesem Beispiel eine Frequenz von 10 kHz. Der Phasenkomparator versorgt den VCO mit einer Spannung. Schwingt der VCO auch auf 10 kHz, ist die Welt in Ordnung und die Schleife arbeitet stabil. Sollte der Oszillator statt auf 10 kHz jedoch nur auf 9,9 kHz schwingen, verändert sich die Abstimmspannung des Phasenkomparators. Sie ist proportional zu der Phasendifferenz der beiden Frequenzen an den Eingängen und bewirkt, dass der VCO wieder auf 10 kHz gezogen wird. Es handelt sich um eine Regelschleife, dessen Ausgangswert - hier die Frequenz des Oszillators - gemessen und mit einem Soll-Signal (des Referenz-Oszillators) verglichen wird. Die Regelung erfolgt hier über die Abstimmspannung des Phasenkomparators. So weit, so einfach.

Weil ein Referenzoszillator an sich sehr genau und hochwertig arbeitet, ist die Regelschleife aus Bild 2 jedoch völlig überflüssig: Man könnte ebenso gut direkt die Frequenz des Referenzoszillators verwenden. Und das eigentliche Ziel, vieler Frequenzen zu erzeugen, wurde nicht erreicht, schließlich kann man die Frequenz so nicht verändern.

Bild 3: Funktionsprinzip einer Phase Locked Loop.

Bild 3 zeigt das vollständige Blockschaltbild einer PLL. Der Referenzoszillator schwingt nun auf der maximal benötigten Frequenz, hier soll das 1 MHz sein. Über einen festen Teiler wird die Frequenz auf 10 kHz herunter geteilt. Damit ergibt sich ein Kanalraster von 10 kHz, da die VCO-Frequenz ein ganzzahliges Vielfaches der Vergleichsfrequenz am Phasenkomparator ist - hier also 10 kHz.

Durch die Teilung vermindert sich auch eine evtl. vorhandene Frequenzabweichung des Referenzoszillators. Sie vervielfacht sich zwar wieder mit steigender VCO-Frequenz, denn der VCO ist mit dem Referenzoszillator praktisch phasenstarr verbunden.

Soll der VCO eine Frequenz von 500 kHz liefern, muss der einstellbare Teiler auf 500 kHz / 10 kHz = 50 eingestellt werden. Dann "sieht" der Phasenkomparator an beiden Eingängen 10 kHz, die PLL ist auf 500 kHz eingerastet.

Nehmen wir einmal an, der einstellbare Teiler würde von 50 auf 51 verändert. Der VCO schwingt auf 500 kHz geteilt durch 51 macht 9,8 kHz. Der Phasenkomparator vergleicht nun 10 kHz vom Referenzoszillator mit den 9,8 kHz des einstellbaren Teilers. Die Abstimmspannung wird ein wenig höher ausfallen, der VCO wird sich auf die Frequenz von 510 kHz einschwingen.

Eine Änderung der Abstimmspannung verändert die VCO-Frequenz in sehr kurzer Zeit - meist sind es nur Millisekunden. Die veränderte VCO-Frequenz wiederum senkt die Frequenzdifferenz am Phasenkomparator, worauf die Abstimmspannung jetzt weniger korrigiert wird. So werden die Frequenzänderungen des VCO immer geringer, bis schließlich sowohl Referenz-, als auch VCO-Frequenz an den Eingängen des Phasenkomparators denselben Wert aufweisen - der Regelkreis ist geschlossen, man spricht davon, dass die PLL eingerastet ist.

Gehen wir wieder vom einen Teilerfaktor von 50 aus, der VCO schwingt mit 500 kHz. Nun stellt der Bediener den Teiler von 50 auf 49 ein. 500 kHz geteilt durch 49 macht 10,2 kHz. Der Phasenkomparator vergleicht nun 10 kHz und 10.2 kHz. Die Abstimmspannung wird etwas fallen, der VCO liefert bei fallender Spannung eine niedrigere Frequenz, hier 490 kHz. Ist das geschehen, teilen sich die 490 kHz durch 49, der Phasenkomparator "sieht" wieder zwei Mal 10 kHz.

Fazit: Verändert man den Teilerfaktor um 1, ändert sich die VCO-Frequenz um die Vergleichsfrequenz am Phasenkomparator (in Bild 3: 10 kHz).

Damit ist das Funktionsprinzip der PLL in wichtigen Grundzügen beschrieben - doch das Thema ist bei weitem nicht ausgereizt. Dem Entwickler einer PLL stellen sich einige Fallstricke in den Weg: Alle beteiligten Komponenten müssen sehr sorgfältig aufeinander abgestimmt sein. So muss der VCO die minimale und maximale Abstimmspannung verarbeiten können. Die Gleichspannung aus dem Phasenkomparator muss sehr sauber sein. Da aber der Phasenkomparator ein digitaler Schaltkreis ist, der Ladungsimpulse liefert, wird ihm ein Schleifenfilter nachgeschaltet, um eine saubere Abstimmspannung zu erzeugen.

Wer tiefer in das Thema einsteigen möchte, gar selbst eine PLL aufbauen möchte, findet weiterführende Literatur in den Quellenangaben. Für den Einstieg ist [PLL-Kurs: www.uwe-kerwien.de/pll] zu empfehlen, OM Uwe bietet nach Anmeldung auf seiner Webseite eine PDF-Datei zum Download an, welche detailliert auf die Funktionsweise der PLL, dem Phasenkomparator, den VCO und das Schleifenfilter eingeht. [Experimente mit der PLL: http://www.dj4uf.de/projekt/PLL/pll.html] beschreibt die Anwendung einer PLL am Beispiel des Bausteins LM565.


Bild 4: ADIsimPLL von Analog Devices simuliert eine PLL.

Entwickler elektronischer Schaltungen nutzen - bevor sie den Lötkolben in die Hand nehmen - zur Simulation gern ein Simulationsprogramm.

Eines soll kurz erwähnt werden, es ist das das bekannte ADIsimPLL von Analog Devices (Bild 4), eine bewährte PLL-Synthesizer-Entwicklungssoftware, die zurzeit in der Version V3.3 verfügbar ist. Mit der Software für Windows testet man z. B. die Einflüsse von Referenzfrequenz, N-Teilerfaktor und Schleifenfilter-Topologie auf das Einschwingverhalten. Auch das Phasenrauschen und das Nebenwellenspektrum (Spurious-Signale) lassen sich gut abschätzen. Verwendbar sind reale Bausteinen (VCO, Synthesizer) von Analog Devices, aber auch Custom-Einstellungen sind möglich. Ein kurzes Tutorial in englischer Sprache vereinfacht die Bedienung. Auch ein Demo-Video erläutert den Umgang mit der Software. ADIsimPLL Version V3.3 finden Sie unter https://form.analog.com/form_pages/rfcomms/adisimpll.aspx. Dort ist vor dem Download ein Formular auszufüllen und abzuschicken. Auf der Seite gibt es ganz unten auch drei interessante Links zu Application Notes, die in englischer Sprache beschreiben, was bei der Entwicklung einer PLL zu beachten ist.