PD

Ein Phasendetektor ist eine elektronische Schaltung, die zwei Signale gleicher (oder nahezu gleicher) Frequenz vergleicht und eine Spannung ausgibt, die proportional zur Phasendifferenz zwischen ihnen ist. Das Ausgangssignal ist typischerweise eine Gleichspannung (DC), deren Größe davon abhängt, wie weit ein Signal dem anderen voraus oder hinterher hinkt. In synchronen Systemen wird diese Ausgabe zum Fehlersignal, das Korrekturmechanismen antreibt.

Phasendetektoren gibt es in mehreren Varianten. Analoge Typen nutzen Mischer oder Multiplizierer, um eine Ausgabe proportional zum Kosinus der Phasendifferenz zu erzeugen; diese funktionieren gut bei kleinen Phasenfehlern, werden aber nahe der Quadratur (90 Grad) nichtlinear. Digitale Phasendetektoren dagegen vergleichen die Flanken oder Logiksignale zweier digitaler Signale und geben ein Strom- oder Pulsweitensignal aus; sie funktionieren zuverlässig über den gesamten Phasenbereich und bilden das Rückgrat von Phase-Locked-Loops (PLLs) bei der Frequenzsynthese und Takterholung. Das XOR-Gatter (Exclusive OR) ist der einfachste digitale PD und erzeugt einen Ausgangspuls, dessen Breite den Phasenfehler kodiert.

In der Praxis sitzt ein PD in einer größeren Regelschleife. Die Fehlerspannung, die er erzeugt, wird gefiltert und an einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) oder Frequenzteiler geleitet, wodurch die Schleife geschlossen wird, damit die beiden Eingangssignale schließlich synchronisieren. Häufige Anwendungen sind FM-Demodulation, bei der der PD das Modulationssignal aus den Phasenschwankungen eines Trägers zurückgewinnt; Takt- und Datenrückgewinnung in seriellen Kommunikationen, bei der der PD einen Empfängerossillator auf eingehende Bitübergänge sperrt; und Frequenzsynthese, bei der der PD einen Oszillator auf eine genaue Referenzfrequenz stabilisiert.

Mehrere praktische Probleme beeinflussen das PD-Design. Der Sperrbereich, die Frequenzspanne, über die der PD anfänglich Synchronisation herstellen kann, muss für die Anwendung breit genug sein. Der Erfassungsbereich, die engere Spanne, aus der die Schleife ohne Unterstützung sperrt, ist oft erheblich enger. Rauschen und Jitter im Referenzsignal oder im VCO können die Phasenstabilität beeinträchtigen; Filterung am PD-Ausgang wirkt dem entgegen. Harmonisches Sperren, bei dem der PD auf eine Harmonische der gewünschten Frequenz statt auf die Grundfrequenz sperrt, erfordert sorgfältiges Design des Frequenzteilers und der PD-Verstärkung.

Die PD-Leistung wird oft anhand von Verstärkung (Spannungsausgang pro Radian Phasendifferenz), Sperrzeit und Phasenfehler im stationären Zustand ausgedrückt. Hohe Verstärkung reduziert die erforderliche Bandbreite des Tiefpassfilters und der Schleifenverstärkung, macht das System aber anfällig für Rauschen. Die Wahl der PD-Topologie, des Schleifenfilters und der VCO-Eigenschaften bestimmt, ob die Anwendung die erforderliche Frequenzgenauigkeit, Einschwinggeschwindigkeit und Rauschleistung erreicht.