Phase-locked Loop (PLL)

Was ist eine Phase-locked Loop (PLL)?

Eine Phase-locked Loop (PLL), auch Phasenregelkreis oder Phasenregelschleife genannt, ist eine elektronische Schaltung mit einem spannungsgesteuerten Oszillator, der sich ständig an die Frequenz eines Eingangssignals anpasst. PLLs werden verwendet, um ein Signal zu erzeugen, zu stabilisieren, zu modulieren, zu demodulieren, zu filtern oder aus einem verrauschten Kommunikationskanal, in dem die Daten unterbrochen wurden, wiederherzustellen.

PLLs sind in drahtlosen oder Hochfrequenzanwendungen weit verbreitet, darunter WLAN-Router, Rundfunkgeräte, Walkie-Talkie-Funkgeräte, Fernsehgeräte und Mobiltelefone.

Im einfachsten Fall ist eine Phase-Locked Loop ein geschlossener Regelkreis, der sowohl frequenz- als auch phasenabhängig ist. Eine PLL ist keine einzelne Komponente, sondern ein System, das aus analogen und digitalen Komponenten besteht, die in einer Konfiguration mit negativer Rückkopplung miteinander verbunden sind. Betrachten Sie sie als Analogie zu einer aufwendigen Verstärkerschaltung auf der Basis eines Operationsverstärkers (OV).

Wozu wird ein Phasenregelkreis verwendet?

Das Hauptziel einer PLL ist die Synchronisierung des Ausgangsoszillatorsignals mit einem Referenzsignal. Selbst wenn die beiden Signale die gleiche Frequenz haben, treten ihre Spitzen und Tiefpunkte nicht unbedingt an der gleichen Stelle auf. Einfach ausgedrückt: Sie erreichen nicht denselben Punkt auf der Wellenform zur selben Zeit.

Dies wird als Phasendifferenz bezeichnet und als Winkel zwischen den Signalen gemessen. Bei Signalen mit unterschiedlichen Frequenzen variiert die Phasendifferenz zwischen ihnen immer, was bedeutet, dass ein Signal dem anderen um einen unterschiedlichen Betrag hinterher- oder vorausläuft.

Eine PLL reduziert Phasenfehler zwischen Ausgangs- und Eingangsfrequenzen. Wenn die Phasenverschiebung zwischen diesen Signalen gleich Null ist, wird das System als verriegelt (Locked) bezeichnet. Diese Verriegelung hängt von der Fähigkeit der PLL ab, eine negative Rückkopplung bereitzustellen, also das Ausgangssignal an den Phasendetektor zurückzuleiten.

Eine PLL synchronisiert nicht nur die Ausgangs- und Eingangsfrequenzen, sondern hilft auch bei der Herstellung der Phasenbeziehung zwischen Eingang und Ausgang, um die entsprechende Steuerspannung zu erzeugen. Daher hilft sie, sowohl die Frequenz als auch die Phase in einer Schaltung zu synchronisieren.

Hauptkomponenten einer Phasenregelschleife

Eine PLL besteht aus drei Hauptkomponenten:

• Phasendetektor (auch als Phasenkomparator oder Mischer bezeichnet): Er vergleicht die Phasen von zwei Signalen und erzeugt eine Spannung entsprechend der Phasenverschiebung. Er multipliziert den Referenzeingang und den Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators.
• Tiefpassfilter: Eine Art Schleifenfilter, der die hochfrequente Wechselstromkomponente des Eingangssignals abschwächt, um das Signal zu glätten und abzuflachen, damit es mehr Gleichstromcharakter erhält.
• Spannungsgesteuerter Oszillator: Erzeugt ein sinusförmiges Signal, dessen Frequenz genau der vom Tiefpassfilter gelieferten Mittenfrequenz entspricht.

Hier fungiert der Phasendetektor als analoger Multiplikator, der spannungsgesteuerte Oszillator als Verstärkungsblock und der Tiefpassfilter als Verzögerungseinheit.

Zusammen bilden der Phasenregelkreis, der spannungsgesteuerte Oszillator, der Referenzoszillator und der Phasenkomparator einen Frequenzsynthesizer. Das ist ein elektronisches System, das aus einem einzigen festen Oszillator eine Reihe von Frequenzen erzeugt. Drahtlose Geräte, die diese Art der Frequenzsteuerung verwenden, werden als frequenzsynthetisch oder frequenzsynthetisiert bezeichnet.

Andere frequenzsynthetisierte Geräte sind unter anderem:

• Mobiltelefone
• Satellitenempfänger
• GPS-Systeme

Wie funktioniert eine PLL?

Der zugrunde liegende Mechanismus einer Phase-locked Loop basiert auf der Phasenverschiebung zwischen zwei Signalen. Sie erkennt diese Differenz und bietet einen Rückkopplungsmechanismus, um die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators zu ändern.

Die PLL vergleicht das Signal des spannungsgesteuerten Oszillators mit dem Eingangs-/Referenzsignal. Da die PLL sowohl frequenz- als auch phasenempfindlich ist, kann sie sowohl Frequenz- als auch Phasenverschiebungen zwischen den beiden Signalen erkennen.

Sie erzeugt ein Fehlersignal, das der Phasenverschiebung zwischen den Signalen entspricht. Diese Differenz wird an den Tiefpassfilter weitergeleitet, der alle hochfrequenten Elemente entfernt und das Fehlersignal zu einem variablen Gleichstrompegel filtert. Dieses Rückkopplungssignal wird dann wieder an den spannungsgesteuerten Oszillator angelegt, um dessen Frequenz zu steuern.

Zu Beginn ist diese Schleife nicht synchronisiert. Das Fehlersignal zieht die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators in Richtung der Referenzfrequenz, und zwar so lange, bis es den Fehler nicht mehr weiter verringern kann. An einem bestimmten Punkt wird die Phasenverschiebung zwischen den beiden Signalen jedoch Null (das heißt, sie liegen beide auf genau der gleichen Frequenz).

Zu diesem Zeitpunkt gilt die Schleife als verriegelt, und es wird eine stationäre Fehlerspannung erzeugt.

Häufige Anwendungen von Phasenregelschleifen

PLLs werden in Dutzenden von Anwendungen eingesetzt, darunter:

• Telekommunikationssysteme
• Computer
• Radio
• andere elektronische Systeme

Phasenregelschleifen werden häufig in der drahtlosen Kommunikation verwendet, vor allem für frequenzmodulierte (FM) Übertragungen, wo sie die Demodulation hochwertiger Audiosignale aus einem FM-Signal ermöglichen. Sie werden auch für Übertragungen mit Phasenmodulation (PM) eingesetzt.

Indirekte Frequenzsynthesizer sind eine weitere wichtige Anwendung der PLL. Zwei weitere wesentliche PLL-Anwendungen sind:

• Timing-Verteilung: Verteilung von genau getakteten Taktimpulsen in digitalen Logikschaltungen (zum Beispiel in Mikroprozessorsystemen).
• Signalrückgewinnung: Bereitstellung eines sauberen Signals und Speicherung der Frequenz im Falle von Unterbrechungen (zum Beispiel bei gepulsten Übertragungen).

Bei digitalen Datenübertragungen werden häufiger Phase-locked Loops verwendet als bei analogen Übertragungen. Die Herstellung erfolgt auch häufiger in Form von integrierten Schaltungen, obwohl auch diskrete Schaltungen für die Mikrowellensignalverarbeitung verwendet werden.