Phase Locked Loop

Für viele Anwendungen muss man zu einem bestehenden periodischen Signal ein zweites Signal gleicher oder vielfacher Frequenz phasenstarr synchronisieren. Für diese Aufgabe wird eine spezielle Regelschaltung verwendet, die Phase Locked Loop (PLL) oder Nachlaufsynchronisation genannt wird. Die Prinzipschaltung einer PLL ist in hier abgebildet.

Prinzip einer PLL

Eine PLL besteht aus einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO), einem Phasendetektor und einem Tiefpassfilter. Der Phasendetektor vergleicht das Signal des VCOs und das externe Referenzsignal und liefert an das Tiefpassfilter eine Spannung, deren Gleichanteil zur Phasendifferenz proportional ist. Das Ausgangssignal des Tiefpasses steuert nun den VCO so, dass die Frequenz des VCOs und die Bezugsfrequenz phasenstarr synchron laufen.

Die Eigenschaften einer PLL-Schaltung hängen zum Großteil von der Art des Phasendetektors und dem Typ des Tiefpassfilters ab. Man unterscheidet entsprechend des Typs des Phasendetektors zwischen linearen und digitalen PLL-Schaltungen. Lineare PLL-Schaltungen verarbeiten Sinussignale und sind nur phasenselektiv, während digitale Phasenregelschleifen ausschließlich mit Rechtecksignalen arbeiten und sowohl phasen- als auch frequenzselektiv sein können.

Im Folgenden sei der einfachste digitale Phasendetektor beschrieben, der aus einem XOR-Gatter aufgebaut ist und nur phasenselektiv ist. Zu seiner optimalen Ausnutzung müssen die Eingangssignale ein Tastverhältnis von 50 % aufweisen. Nachstehende Abbildung zeigt die Signale, die am Detektor anliegen, wenn die PLL versucht, auf ein geändertes Referenzsignal einzuschwingen.

Einfacher Phasendetektor

Zum Verständnis der Funktion des Phasendetektors sei angenommen, dass Eingangsspannung und Referenzspannung phasenstarr mit 90ø Phasenwinkel synchronisiert sind. Der Phasendetektor liefert in diesem Fall ein Rechtecksignal mit einem Tastverhältnis von 50 %. Wird nun die Referenzfrequenz ein wenig verändert, so tritt eine Phasenverschiebung zum Eingangssignal auf, was zur Folge hat, dass sich das Tastverhältnis des Phasendetektors verschiebt und die mittlere Amplitude des Signals des PDs steigt oder fällt. Die geänderte Amplitude verändert nun die Frequenz des VCOs so, dass das Tastverhältnis wieder 50% beträgt. Die PLL ist wieder 'eingerastet'.

Dieser sehr einfache Phasendetektor weist jedoch den Nachteil auf, dass er auch auf Vielfache der Referenzfrequenz synchronisieren kann. Man muss daher durch geeignete Dimensionierung des Tiefpassfilters versuchen, dies zu unterdrücken. Andere Phasendetektoren vermeiden diesen Nachteil, indem sie durch Einsatz von flankengesteuerten Flip-Flops auch frequenzselektiv sind.