PLL-Frequenzsynthese: Spezielles Problem mit dem
CD4046B (MC14046B) und 74HC4046
(-> Self-Bias-Circuit)

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• Autor:   Thomas Schaerer      Opamp-Buch   Timer555-Buch

Dieses Foto zeigt einen fast perfekten PLL-Frequenzmultiplier, bestehend aus einem CMOS-PLL-IC des Typs CD4046B (MC14046B) oder 74HC4046, einem passiven Loop-Tiefpassfilter, einem Feedbackfrequenzteiler des Typs CD4040B (MC14040B) oder 74HC4040 und einem als Schmitt-Trigger arbeitenden LMC555-Timer (CMOS-Version) auf einem Testboard. Weshalb nur fast perfekt, beschreibt der vorliegende Bericht...

Die Voraussetzung

Zum vollständigen Verständnis setzt dieser Elektronik-Minikurs voraus, dass der Leser weiss, wie eine digitale Phase-Locked-Loop-Schaltung (PLL-Schaltung) funktioniert. Grundlagenwissen wird dazu nicht vermittelt. Empfehlenswerte Bücher sind "Theorie und Anwendungen des Phase-locked Loops" von Roland Best (ISBN: 3-85502-132-5) und "Halbleiter-Schaltungs-Technik" von Tietze/Schenk. "Das CMOS-Kochbuch" von Don Lancaster bietet ebenso, jedoch nur eine bescheidene aber durchaus praktikable Einführung in die Welt des PLL. Es gibt von mir ein spezieller Elektronik-Minikurs der zum PLL-Thema passt:

Im vorliegenden Artikel geht es einzig darum eine wichtige Schwachstelle der PLL-Bausteine CD4046B (MC14046B) und 74HC4046 zu fokussieren und dies soll dazu dienen, dass andere Schaltungsentwickler nicht die selbe Erfahrung machen und unnötig Zeit in die Fehlersuche investieren müssen. CD4046B von National Seminconductor Corporation (NSC) und MC14046B von Motorola sind elektronisch identisch. 74HC4046 ist die HCMOS-Version. Wenn alle drei Typen angesprochen sind, werde ich nur noch den 4046 erwähnen.

Definition der Betriebsspannung

In den Datenblättern der CMOS-Logik der Serie MC140xx oder CD40xx werden die Betriebsspannungen mit VDD und VSS angegeben. In den Datenblättern der HCMOS-Logik 74HCxxxx jedoch mit Vcc und GND, wie dies bei der bipolaren TTL-Logik üblich ist. Dies ist schon deshalb verständlich, weil die HC- und HCTMOS-Logik ursprünglich entwickelt wurde, um die TTL-Logik zu ersetzen, wo dies durch die Taktfrequenz möglich ist. Die HCTMOS-Logik dient als Schnittstelle zwichen der TTL- und HCMOS-Welt (TTL-Ausgang --> HCTMOS-Eingang). Nichts desto trotz ist es aber auch mit der HCMOS-Logik möglich, die ICs mit symmetrischer Betriebsspannung, z.B. mit ± 2.5 VDC, zu betreiben, was oft bei analog-digitaler Mischschaltung Sinn macht. Dies bedeutet, dass der vermeintliche GND-Anschluss eben auch an eine negative Spannung angeschlossen werden kann. Ich werde in diesem Kurs alle Speiseanschlüsse, gleichgültig ob CMOS oder HCMOS, mit Vcc und GND bezeichnen, da betreffs der Störungsbeschreibung des 4046 sowohl CMOS als auch HCMOS gemeint sind.

Die PLL-Schaltung mit dem 4046

Bild 1 zeigt wie der 4046 grundsätzlich beschaltet wird. Dieses IC enthält drei Phasendiskriminatoren, die man auch Phasenvergleicher, bzw. Phasenkomparatoren, bezeichnet. Sie haben einen gemeinsamen Signaleingang (Pin 14) und einen gemeinsamen Komparatoreingang (Pin 3). Im Beispiel von Bild 1 wird der Komparatortyp II (Pin 13) verwendet. Er hat gegenüber Komparatortyp I den Vorteil, dass der PLL nicht auf die Harmonischen der Referenzfrequenz (Pin 14) einrasten kann. Dies erlaubt den PLL in einem grossen Frequenzbereich (grosser Fangbereich) einzusetzen. Dies hat dafür den Nachteil, dass er schlechter das Rauschen des Eingangsignales an Pin 14 unterdrückt. Dies kann der Phasenkomparator I, der bloss aus einer EXOR-Schaltung besteht, besser, jedoch rastet die PLL mit ihm auch auf Harmonische der Eingangsfrequenz an Pin 14 ein. Zwei der drei Komparatoren sind in Bild 2 etwas differenzierter dargestellt.

In Bild 1 folgt auf den Phasenkomparator II das passive Loop-Tiefpassfilter, das hier ebenso nur angedeutet wird wie der darauffolgende spannungsgesteuerte Oszillator, der VCO (Voltage Controlled Oscillator). Sein Ausgangssignal führt über einen Frequenzteiler (Divider 1/n) zurück zum Phasenkomparator. Dort werden die beiden Phasen an den Eingänge miteinander verglichen und über das Loop-Tiefpassfilter erhält der VCO-Eingang die korrekte Gleichspannung, damit es zur exakten Frequenzmultiplikation f*n kommt. Damit ist Regelfunktion erklärt.

Im Weiteren fokussieren wir den Sektor des Phasenkomparators, besser gesagt, auf ein kleines aber wichtiges Detail von ihm, das ab Bild 2 thematisiert wird.

Weshalb nur fast perfekt?

Ein PLL-Regelkreis mit dem Phasenkomparator II, wie eben kurz beschrieben, funktioniert perfekt stabil, mit geringem Phasenjitter und kurzer Einschwingdauer nach Frequenzänderungen, wenn das Loop-Tiefpassfilter und der Spannungshub des VCO richtig dimensioniert sind. Der Umgang mit diesem IC ist recht einfach. Diese Erfahrung werden sicher schon viele Schaltungsentwickler gemacht haben. Allerdings haben manche kaum bemerkt, dass es im 4046 eine Schwachstelle gibt, wenn das Eingangssignal an Pin 14 in Amplitude und Flankensteilheit gerade noch Werte enthalten, so dass die Störung, von der gleich die Rede sein wird, noch nicht auftreten kann. Bild 2 deutet den Problemfall an. Der Sündenbock ist der Self-Biasing-Amplifier.

Die Phasenkomparatoren I und II benötigen digitale Signale. Beim Eingang an Pin 3 ist dies in der Regel "automatisch" garantiert, weil er entweder direkt vom VCO-Ausgang oder von einem einem Frequenzteiler-Ausgang gesteuert wird. Auf den Eingang von Pin 14, der als Signal-Input bezeichnet wird, ist das etwas anders. Gemäss Datenblatt folgt auf diesen Eingang ein sogenannter Self-Biasing-Amplifier. Die Frage ist natürlich was dieser mit dem Eingangssignal anstellt? Das Datenblatt der CMOS-Version erlaubt Eingangsspannungen mit typischen Werten zwischen 200 mV bis 700 mV, im Bereich einer Betriebsspannung zwischen 5 VDC und 15 VDC, bei einer Frequenz von 50 kHz, wenn man in Serie zum Eingang einen Kondensator von 1000 pF schaltet. Dieser Kondensator bildet mit dem Eingangswiderstand, der typisch zwischen 2 M-Ohm und 200 k-Ohm im Bereich einer Betriebsspannung zwischen 5 VDC und 15 VDC liegt, ein passives Hochpassfilter erster Ordnung. Dazu kommt, dass die DC-Entkopplung durch den Kondensator den Self-Biasing-Ampilifier in die Lage versetzt, den Eingang auf die halbe Betriebsspannung zu justieren. Eine wichtige Voraussetzung für die Triggerung mit kleinen Impulsamplituden.

Die Datenblätter von NSC und Motorola beschreiben diesen Spezialfall unterschiedlich. Motorola schreibt bloss: The signal-input can be directly coupled for a large voltage signal, or a capacitively coupled to the self-biasing amplifier at the signal input for a small voltage signal.

Fairchild und NSC gehen mehr ins Detail, jedoch nur bei der HCMOS-Version 74HC4046. Das "Innenleben" des Self-Biasing-Amplifier zeigt sich transparenter. Man kann allerdings davon ausgehen, dass die Schaltung des MC14046 (CD4046) und des 74HC4046 prinzipiell gleich aufgebaut ist. Es stellte sich bei der Untersuchung auch heraus, dass die CMOS- und die HCMOS-Version das selbe Symptom aufweist. Das nächste Kapitel beschreibt dieses Symptom.

Verbotenes und Erlaubtes

Wer glaubt, es genüge mit einer niedrigen sinusförmigen Signalfrequenz am Signal-Eingang Pin 14 - z.B. mit 50 Hz zwecks Netzfrequenzsynchronisation - zu arbeiten, wie dies das Datenblatt suggeriert, fällt sogleich auf die Nase. Es funktioniert auch dann nicht, wenn eine grosse Signalamplitude vorliegt. Es funktioniert selbst dann nicht befriedigend wenn der Signal-Eingang derart übersteuert wird, dass die Sinusspannung zu einer Trapezspannung "mutiert". Der PLL rastet nicht sauber und stabil ein. Es ist dabei irrelevant ob der Signaleingang direkt oder kapazitiv gekoppelt ist. Wichtig ist einzig die Amplitudensymmetrie um den halben Betriebsspannungswert. Wie diese realisiert wird ist ebenfalls irrelevant. Fazit: Man muss selbst dafür sorgen, dass der Signal-Eingang an Pin 14 ein Signal mit steilen Flanken, wie es sich für digitale Signale gehört, bekommt. Nur dann rastet der PLL problemlos ein und arbeitet stabil. Naja, stimmt das auch wirklich?

Die typische Radio-Eriwan-Antwort lautet: "Im Prinzip ja, aber...", und diese kommt hier auch zur Anwendung. Dazu zitiere ich nochmal den "aufschlussreichen" Satz aus dem Datenblatt: The signal-input can be directly coupled for a large voltage signal, or a capacitively coupled to the self-biasing amplifier at the signal input for a small voltage signal.

Da steht also, dass das Eingangssignal klein und gross sein darf. Hat man einmal dafür gesorgt, dass das Eingangssignal steilflankig ist, sollte der PLL mit einem grossen Eingangsamplitudenbereich perfekt arbeiten. Mit dem minimalen Eingangsspannungswert arbeitet die PLL gemäss Datenblatt gerade noch. Wer aber glaubt, gross bedeutet eine Amplitude entsprechend der Betriebsspannung, wie dies bei CMOS üblich ist, der irrt! Das Gemeine ist allerdings, man merkt es nicht gleich und man kann viel Zeit mit der Fehlersuche verbringen, da der Fehler nur sporadisch auftritt. Dies geschah mir und genau dies war die Motivation diesen Artikel zu schreiben, der verhindern soll, dass andere sich ebenfalls erst die Haare rauffen müssen, bis sie den Fehler gefunden haben. Man beachte zunächst Bild 3, das zeigt, welche Eingangsamplitudenwerte verboten und was erlaubt ist.

Die Teilbilder 3.1 und 3.2 zeigen ein Eingangssignal mit geringer Flankensteilheit, dargestellt als Dreiecksignal. Dieses Signal kann eine Spannung haben, wie im Datenblatt empfohlen, bis hin zum Maximalwert zwischen Vcc und GND, wobei man das Signal auch übersteuern (clippen) darf, - z.B. durch Begrenzung mit Kleinsignal-Siliziumdioden. Der PLL rastet in jedem Fall nicht stabil ein. Daher sind solche Signale nutzlos! Einzig Teilbild 3.3 zeigt das korrekte Eingangssignal, falls es grösser ist als die minimal geforderte Spannung, gemäss Datenblatt. Das Signal muss aber keineswegs ein symmetrisches Tastverhältnis haben wenn der Phasenkomparator II benutzt wird. Einzig steile Flanken zählen! Ein Rechtecksignal mit einer Amplitude zwischen Vcc und GND (Bild 3.4) ist allerdings zu unterlassen. Aber warum, wird sich der Leser fragen...

Im Falle von Bild 3.4, so wie es in CMOS-Logikschaltungen üblich ist, arbeitet der PLL lange Zeit problemlos, doch plötzlich rastet er kurzfristig aus und sogleich wieder ein. Es kann einige Minuten bis eine halbe Stunde oder auch mal länger dauern bis er wieder ausrastet. Manchmal aber gleich zweimal hintereinander.

Man kann sich lebhaft vorstellen, wie aufregend die Sucherei ist, wenn der Fehler nur derart selten in Erscheinung tritt, und alle Teile in einem geschlossenen Regelkreis voneinander abhängig sind. Ich tippte erstmal auf externe Störsignale, welche von aussen über die Speiseleitung, über den Signalgenerator oder aber auch über die Messleitung des Oszilloskopen oder Frequenzzähler einwirkten. Ich konnte dies zwar kaum glauben, aber die Art und Weise wie diese Störung auftrat, liess erst einmal den Gadanken an eine äussere Störquelle aufkeimen. Ich machte dann versuchsweise alles was möglich war niederohmiger, auch das Loop-Tiefpassfilter, - natürlich bei den selben Zeitkonstanten. Auch das brachte nichts. Dann habe ich mal den COMBISCOPE-Oszilloskopen PM3394A von analog auf digital umgeschaltet und ich beobachtete akribisch das Feedbackeingangssignal an Pin 3 des Phasenkomparators. Ich dehnte dabei die Zeitablenkung massiv, so dass man den Phasenjitter gut beobachten konnte, der solange die PLL eingerastet war, erwartungsgemäss sehr gering ist. Aber da beobachtete ich ganz selten vereinzelte Phasenjitterereignisse die z.T. besonders gross waren und einige Male passierte es, dass der PLL dabei ausrastete. Damit verstand ich aber noch immer nicht warum dies passiert. Ich studierte zunächst einmal lange um diese ganze Problematik herum und dachte, was denn bloss die Ursache sein könnte.

Ursprünglich realiserte ich die Schaltung mit der CMOS-Version, also mit dem MC14046B oder CD4046B und so beachtete ich das Datenblatt der HCMOS-Version 74HC4046 nicht. Also wusste ich auch nichts über das Innenleben des Self-Biasing-Amplifier. Ich überlegte, wie sich wohl ein Operationsverstärker verhalten könnte, falls der Self-Biasing-Amplifier daraus bestehen würde. Ich dachte an die bekannten Inversionseffekte: Bei Übersteuerung des nichtinvertierenden Eingangs invertiert plötzlich die Ausgangspannung. Dies würde natürlich die Störung erklären und sie tritt eben dann selten auf, wenn die Übersteuerung nur ganz knapp erreicht würde. Ein Leser machte mich einestages darauf aufmerksam, dass ich das Datenblatt des 74HC4046 einmal näher betrachten solle, weil dort der Self-Biasing-Amplifier detailliert dargestellt ist. Meine Operationsverstärkerthoerie löste sich rasch ins Nichts auf und ich untersuchte die Angelegenheit von Neuem, denn der beschriebene Störfall bleibt Tatsache und ich ging davon aus, dass der Self-Biasing-Amplifier in der CMOS- und HCMOS-Version gleich realisiert ist.

Untersuchung des Self-Biasing-Amplifier und Phasenkomparator II

Bild 4 illustriert die Details des Self-Biasing-Amplifier. Dieser besteht aus sechs CMOS-Inverterstufen, wobei die erste Stufe mittels eines Widerstandes gegengekoppelt ist. Durch diese Gegenkopplungsmassnahme regeln sich Ausgang und Eingang der ersten Inverterstufe auf die halbe Betriebsspannung, wenn der Eingang Pin 14 offen ist oder über einen Kondensator mit einer Signalquelle verbunden wird. Durch die Gegenkopplung wird erreicht, dass dieser Inverter als linearer Verstärker arbeiten kann.

Interessant ist das Symbol des Widerstandes R, der mit den beiden Strichen so ausieht als ob er kapazitiv mit Vcc und GND gekoppelt wäre und man kann sich fragen wozu dies gut sein soll? Es scheint aber eher, dass R ein spannungsabhängiger Widerstand ist, denn aus dem Datenblatt der CMOS-Version CD4046B geht hervor, dass der Eingangwiderstand des Self-Biasing-Amplifier bei einer Betriebsspannung von 5 VDC einen Eingangswiderstand von 3 M-Ohm, bei 10 VDC nur 0.7 M-Ohm und bei 15 VDC nur noch 0.3 M-Ohm hat. MC14046B hat mit 2 M-Ohm bis 0.2 M-Ohm etwas geringere Werte. Je höher die Vcc-Spannung, um so niedriger diese Widerstandswerte. Dies deutet darauf hin, dass die Eingangsschaltungen bei der CMOS- und HCMOS-Version identisch sind und dass es sich bei R um einen FET handelt, der eben nur als Widerstand arbeitet, aber von der E-Feldstärke, bzw. von Vcc abhängig ist.

Diese erste Verstärkerstufe arbeitet nur deshalb als linearer Verstärker, damit es durch ihn möglich ist kleine Spannungsamplituden symmetrisch um den halben Betriebsspannungswert Vcc/2 zu verstärken, wie die Datenblätter schliesslich erlauben. Die erste Stufe steuert bei kleinen Amplitudenwerten noch nicht vollständig aus. Die beiden Teilbilder in Bild 5 zeigen wie eine Dreieckspannung mit der ersten Inverterstufe bis zum Clipping begrenzt wird. Die restlichen vier Stufen sorgen durch die hohe Verstärkung für Vollaussteuerung und hohen Flankensteilheiten, die den folgenden Komparatorschaltungen als digitales Signal gerecht werden sollen...

Das obere Teilbild zeigt eine Direktkopplung des Eingangssignals. Dies ist nur dann erlaubt, wenn das Signal die halbe Betriebsspannung entsprechend den Daten im Datenblatt unter- und überschreitet. Ist dies nicht realisierbar oder das Eingangssignal bezieht sich z.B. amplitudensymmetrisch auf GND, wie dies das untere Teilbild illustriert, muss man mit einem Kondensator C die DC-Spannung entkoppeln. Dadurch bleibt am Ein- und Ausgang des ersten Inverters Vcc/2 als Arbeitspunktspannung erhalten. Durch den Einsatz von C liegt man stets richtig. Man muss sich gar nicht erst um die Bezugsspannung der Signalquelle kümmern.

Dass sich die Signale zwischen dem ersten und zweiten Inverter und am Ausgang des letzten so zeigen, wie abgebildet, ist nicht messbar, weil diese Anschlüsse am IC nicht zur Verfügung stehen. Man kann bloss den Schluss daraus ziehen, wenn man annimmt, dass diese CMOS-Inverter sich ebenso verhalten wie z.B. die Inverter des Hex-Inverter-IC CD4069UB. Dies ist aber überhaupt nicht sicher, weil die hintereinander geschalteten Inverter der PLL-Schaltung 4046 bloss einen kleinen Teil auf dem Chip ausmachen und so die Schaltungsarchitektur kaum exakt 4069-identisch ist und auch die Speisung an diesen Invertern IC-intern nicht etwa extra kapazitiv abgeblockt ist. Durch die sehr dünnen Leiterbahnen zeigen sich auch höhere parasitäre Induktivitäten. Dies und anderes kann dazu führen, dass der gesamte Self-Biasing-Amplifier sich nicht genau so verhält wie es zu erwarten wäre. Wir werden es noch erfahren...

Die Testschaltung

Bild 6 zeigt die Testschaltung, welche mit +5 VDC gespiesen wird, mit dem Self-Biasing-Amplifier und dem Phasen-Komparator II. Man verwendet dazu am besten einen Funktionsgenerator mit einer fixen Rechteckausgangsspannung (TTL), die man in der Regel als Synchronisationssignal verwendet, und einer in Amplitude und Offset einstellbaren Spannung, umschaltbar auf Sinus, Dreieck und Rechteck. Das TTL-Synchronisationssignal legt man an COMP.-IN, während das einstellbare Signal an SIGNAL-IN gelegt wird. Dieses Signal schaltet man auf Rechteck. Nun beobachtet man mit einem Oszilloskopen die beiden Signale SIGNAL-IN und PULSE-OUT, wobei die Triggerung auf die ansteigende Flanke von SIGNAL-IN eingestellt wird. Man stellt die SIGNAL-IN-Amplitude so ein, wie das mittlere Beispiel illustriert. Die Impulsmaximalwerte liegen innerhalb der Betriebsspannung. Auf Grund von Laufzeitverzögerungen, zeigen sich an PULSE-OUT feine negative Nadelimpulse. Dies ist korrekt und stellt den eingeschwungenen PLL-Zustand dar. Verschiebt man den Spannungsoffset des SIGNAL-IN-Impulses so, dass sich seine Maximalwerte entweder ausserhalb von Vcc (+5V) oder GND befinden, destabilisiert sich zeitweise PULSE-OUT und wird unbrauchbar. Das selbe gilt, wenn man die Impulsamplitude soweit erhöht, dass Vcc und GND über- und unterschritten werden. Diese Störung ist bei der HCMOS-Version eher stärker ausgeprägt als bei der CMOS-Version. Die Störung kann nicht durch einen zu hohen Strom am Eingang des Pin 14 verursacht werden, wie man bei Übersteuerung dieses Einganges annehmen könnte, weil auch ein massiv strombegrenzender Widerstand in Serie zu diesem Eingang keine Verbesserung bringt.

Ich untersuchte noch den Störfall mit einem Dreiecksignal am Eingang SIGNAL-IN. Wie bereits bekannt und in Bild 3 illustriert, arbeitet die PLL-Schaltung nur mit einem Rechtecksignal wirklich stabil. Beobachtet man auf dem Oszilloskopen PULSE-OUT bei einem niederfrequenten Dreieicksignal an SIGNAL-IN, zeigt sich ein relativ grosser Flankenjitter. Womöglich ist dies die Ursache dafür, dass die PLL nur bei steilen Signalflanken am Eingang des SIGNAL-IN, wie im Falle eines Rechtecksignales, stabil arbeiten kann.

Die Problemlösung

Es ging um die Realisierung eines 50Hz-netzfrequenzsynchronen PLL-Frequenzmultiplier mit einer höheren Frequenz zwecks Ansteuerung einer 50Hz-Notchfilterbank in Switched-Capacitor-Filter-Technik (SC) für acht Kanäle. In meinem Elektronik-Minikurs Langzeit-Timer-Schaltungen mit den Frequenzteilern CD4020B und CD4040B spreche ich in Bild 8 und zugehöriger Erläuterung den PLL-Frequenzmultiplier kurz an.

Wir befassen uns hier jedoch nur mit dem Problemfall Phasen-Komparator II, genauer gesagt, mit dem Signaleingang. Die Schaltung war natürlich schon fixfertig auf einem Print (siehe Titelbild), als ich den Fehler entdeckte, da er nur spontan in grossen Zeitabständen aufrat. Die Korrektur war aber einfach. Ich musste eine Leiterbahn auftrennen, einen SMD-Widerstand und zwei antiparallel geschaltete Silizium-Dioden einlöten. Diese beiden Dioden arbeiten als Spannungsbegrenzer. So garantieren sie eine betriebssichere Impulsspannung mit einer Amplitude von der doppelten Diodenflussspannung von etwa 1.3 Vpp. Seither arbeitet der PLL-Frequenzmultiplier einwandfrei stabil mit der CMOS- und HCCMOS-Version des 4046.

Da ich schon vor der Schaltungsdimensionierung wusste, dass der Self-Biasing-Amplifier nur mit einer Rechteckspannung einwandfrei arbeitet und PLL-Stabilitaet garantieren kann, realisierte ich mit dem Timer-IC LMC555 (CMOS-Version) einen Schmitt-Trigger. Man kann ebenso eine andere Schmitt-Triggerschaltung, z.B. 1/6 des ICs CD4584B verwenden. Wie es mit dem Timer-IC LMC555 gemacht wird, ist ausführlich beschrieben in:

Bei der Betrachtung von Bild 7 stellt sich die Frage wie das Problem gelöst wird, wenn die Schaltung anstatt mit einer symmetrischen Spannung von zum Beispiel ±5 VDC mit einer asymmetrischen Spannung von +5 VDC betrieben wird. Während die HCMOS-Version des PLL-IC 74HC4046 nur mit +5 VDC (+2 VDC bis +6 VDC) betrieben werden kann, eignen sich MC14046B und CD4046B durchaus für Betriebsspannungen bis +15 VDC. +18 VDC ist Worstcasegrenze! Bei der Anwendung dieser CMOS-ICs muss man wissen, je grösser die Betriebsspannung ist, um so besser ist die Störimunität. Geht man mit der Betriebsspannung allerdings zu nahe an die Worstcasegrenze, wird die statistische Lebensdauer markant reduziert. Eine Betriebsspannung von +12 VDC ist vernünftig.

Der Zweck der antiparallel geschalteten Dioden in Bild 7 unten ist es eine symmetrische stabile Rechteckspannung um den GND-Pegel zu erzeugen, die garantiert unterhalb der positiven und negativen Betriebsspannung liegt, aber sicher grösser ist als die minimale Spannung betreffs Datenblatt. In der positiven Wechselspannungsphase leitet D3 und erzeugt mit ihrer Durchflussspannung eine Spannung von etwa +0.65 VDC. In der negativen Wechselspannungsphase sorgt D4 für -0.65 VDC. Es resultiert die symmetrische Rechteckspannung von etwa 1.3 Vpp. Beim Einsatz der CMOS-Version und einer Betriebsspannung von 15 VDC, könnnen diese 1.3 Vpp unter Worstcasebetrachtung allerdings knapp werden!

Will man das selbe Prinzip bei einer asymmetrischen Speisung (Single-Supply-Modus) anwenden, kann man die beiden Dioden nicht mit GND verbinden. Das Rechtecksignal wäre nicht innerhalb von +Ub und GND. Siehe dazu Bild 3.3 das zeigt was erlaubt ist. Um den selben Effekt zu erzielen, müsste man den gemeinsamen Schaltpunkt der beiden Dioden auf die halbe Betriebsspannung Vcc/2 setzen, was mit zwei zusätzlichen Widerständen auch realisierbar und überhaupt nicht problematisch wäre. Allerdings geht es auch einfacher, wie Bild 8 illustriert:

Anstelle der beiden Dioden D3 und D4 in Bild 7 gibt es zwei zusätzliche Widerstände vor dem Signaleingang Pin 14. Ein Widerstand ist mit Vcc positiven Betriebsspannung und ein anderer ist mit GND verbunden. Wählt man alle drei Widerstände R gleich gross, so stellt sich zwischen Betriebsspannung und GND eine symmetrische Rechteckspannung von einem Drittel der Betriebsspannung ein. Die Amplitude des Rechtecksignales passt sich mit dieser Methode stets der Betriebsspannung an.

Der Wert von R ist unkritisch. Er sollte nicht so niedrig sein, dass der Ausgang des LMC555 unnötig stark belastet wird und nicht so hoch, dass die Flankensteilheit am Signaleingang des PLL-ICs wegen parasitären Kapazitäten leidet. Ein Wert von 10 k-Ohm ist bei niedrigen bis mittleren Frequenzen ein vernünftiger Wert. Bei Anwendungen oberhalb 100 kHz empfiehlt es sich R eventuell niedriger zu wählen.

Netzfrequenzsynchronisation mit unterschiedlicher Gleichrichtung

Wie bei symmetrischer DC-Betriebsspannung die AC-Spannung zur Netzfrequenzsynchronisation entnommen wird, zeigt Bild 3 in Schmitt-Trigger mit CMOS-555-Timer... und Bild 7 in diesem Minikurs deutet es an. Mit Bild 9 soll zusätzlich gezeigt werden, wie es bei asymmetrischer Speisung, also mit nur einer Speisespannung, gemacht werden muss.

Es gibt zwei Methoden der Vollweggleichrichtung. Die Gleichrichtung im oberen Schaltbild nennt man Mittelpunktgleichrichterschaltung. Dabei werden zwei gegenphasige Wechselspannungen einweggleichgerichtet. Besonders bei niedrigen Spannungen und grossen Strömen bietet diese Art der Gleichrichtung gegenüber der Brückengleichrichtung den Vorteil des geringeren Spannungsabfalles und damit geringeren Verlustleistung, weil bei jeder Phase jeweils nur eine Diode leitet. Nachteilig ist, dass der Trafo eine Mittelanzapfung oder zwei getrenne Sekundärwicklungen haben muss. Die Gleichrichtung im unteren Schaltbild nennt man Brückengleichrichterschaltung. In jeder Phase sind stets zwei Dioden in Serie leitend. Mehr zum Thema Gleichrichter liest man in den Grundlagen von Patrick Schnabel:

Betrachten wir in Bild 9 oben die Mittelpunktgleichrichterschaltung, dann bemerken wir eine Übereinstimmung mit Bild 7. Die für die Netzsynchronisation benötigte Wechselspannung wird direkt an der Sekundärspule entnommen. Hier wird einfach zwischen dem einen Spulenende und dem Mittelpunkt, der mit GND identisch ist, die Wechselspannung entnommen. Diese Methode eignet sich für eine asymmetrische oder eine symmetrische Betriebsspannung, also +Ub oder ±Ub. Voraussetzung ist allerdings die Mittelpunktschaltung.

Im unteren Schalbild mit der Brückengleichrichterschaltung ist die Sache ein ganz klein wenig komplizierter. Die Wechselspannung wird zwischen GND des Brückengleichrichters und einer der beiden Trafo-Sekundäranschlüsse entnommen. Es spielt dabei keine Rolle welchen Anschluss man benutzt. Wie funktionierts? Nur dann wenn am oberen Spulenende eine positive Wechselspannungsphase vorliegt, fliesst über R3 ein Strom durch den GND und von diesem über eine Brückengleichrichterdiode zurück in das untere Spulenende. In R3 erscheint die Spannung einer positiven Sinushalbwelle. Während der negativen Halbwelle bleibt die Spannung weg, weil durch R3 kein Strom fliessen kann. Wir haben es mit einer Halbwellengleichrichterschaltung zu tun. Wozu überhaupt R3? Während der der negativen sperrenden Phase ist die Einweggleichrichterschaltung hochohmig, was zur Folge hätte, dass C1 sich nicht entladen könnte. Der LMC555 würde am Ausgang keine Rechtecksignale liefern. Für die Entladung von C1 sorgen R1 und R3, wobei R3 wesentlich niederohmiger sein muss als R1.

Spannungsdiagramme am LMC555-Ausgang

Betrachten wir Bild 7 mit seiner symmetrischen Speisung, so fällt auf, dass die Wechselspannung am Eingang des LMC555 symmetrisch zum GND-Pegel liegt. Die Hysterese des als Schmitt-Trigger benutzten LMC555 ist ebenfalls symmetrisch zum GND-Pegel. Dies hat zur Folge, dass das Ausgangssignal des LMC555 ein Tastverhältnis von 50% hat. Auch das Tastverhältnis ist also symmetrisch. Illustriert ist dies in Bild 10.1. Mit Clipping wird gezeigt, dass die Sinusspannung dann beschnitten wird, wenn dessen Scheitelwerte grösser sind als die positive und negative Betriebsspannung plus die Diodenflussspannungen der Schutzdioden D1 und D2 am Eingang des LMC555.

In Bild 9 oben schneidet die Schutzdiode D2 die negative Sinushalbwelle weg. Der Hysteresemittelwert des LMC555 liegt wegen dessen asymmetrischen Speisung irgendwo innerhalb der positiven Sinushalbwelle, wie dies Bild 10.2 illustriert. Aus dieser Asymmetrie resultiert konsequenterweise ein Rechteckausgangssignal mit ebenfalls asymmetrischem Tastverhältnis (nicht 50%). Der positive Scheitelwert wird aus dem selben Grund beschnitten, wie im oberen Abschnitt bereits beschrieben.

In Bild 9 unten liegt an R3, wie bereits beschrieben, eine positive Halbwellengleichspannung vor. D2 wäre im Prinzip redundant. Ich empfehle sie trotzdem. Doppelt genäht hält besser. Für diese Dioden eignen sich die weltbekannten, traditionsreichen und äusserst preiswerten 1N4148 oder 1N914.

Für die vorliegende Anwendung einer PLL-Schaltung ist das Tastverhältnis dann irrelevant wenn der Phasenkomparator II (siehe die Datenblätter zu den 4046B) verwendet wird. Dies ist vielleicht die häufigste PLL-Applikation mit dem 4046

Zum Schluss noch eine kleine Frage...

Mich würde von den Lesern interessieren, wer schon mit dem MC14046B, CD4046B oder 74HC4046 und dem integrierten Phasenkomaparator II eine PLL-Schaltung realisiert hat und es würde mich natürlich zusätzlich sehr interessieren, ob der Anwender mit dem Thema dieses Elektronik-Minikurses konfrontiert wurde. Man möge mir dazu ein paar Zeilen schreiben (E-Mailadresse auf der Indexseite unten).

Anhang 1: Transfer-Gate oder parallelgeschaltete MOS-Feldeffekt-Transistoren

Unterstützung des Lesers: Mathew S.B Neal von Atmel Germany GmbH

Es geht dabei um den zweiten Textabschnitt mit Bild 4 unter dem Kapitel "Untersuchung des Self-Biasing-Amplifier und Phasenkomparator II". Herrr Neal schrieb mir, dass hochohmige integrierte Widerstände in CMOS-ICs in der Regel sogenannte Transfer-Gates sind. Als Alternative werden manchmal auch parallelgeschaltete MOS-Feldeffekt-Transistoren verwendet. Beim hier behandelten Self-Biasing-Amplifier wurde ein Transfer-Gate implementiert.

Das von Herrn Neal beigelegte Bild (siehe unten) illustriert links den Widerstand, in der Mitte des Bildes das Transfer-Gate und rechts die parallelgeschalteten MOS-Feldeffekt-Transistoren:

Anhang 2: Vorsicht vor unerwünschter Phasenverschiebung!

In einer Diskussion im ELKO-Forum machte mich ein Christian darauf aufmerksam, dass gemäss Bild 9 (unteres Schaltbild) zwischen dem Ausgang des LMC555 und der Wechselspannung an der Sekundärwicklung des Trafo eine signifikante Phasenverschiebung auftritt, wie das oben im Oszillogramm gezeigt wird. Das blaue Diagramm ist diese Wechselspannung, das grüne ist die Halbwellengleichspannung, gemessen am Knoten von R1 (100 k-Ohm) und R3 (10 k-Ohm) und das gelbe Rechtecksignal ist der Ausgang des LMC555.

Es gibt zwei Gründe wie es zu einer Phasenverschiebung kommt:

1. Es ist das passive Tiefpassfilter, bestehend aus R1 und C1. Die Grenzfrequenz ist mit bloss 22.6 Hz sehr niedrig gewählt. Hauptgewicht bei einem Projekt war maximale Störunterdrückung, die Phasenverschiebung war egal. Für viele Anwendungen genügt jedoch auch eine höhere Grenzfrequenz mit entsprechend geringerer Phasenverschiebung. Wenn es nur darum geht allfällig hochfrequente Störimpulse zu unterdrücken, genügt eine Grenzfrequenz im kHz-Bereich. Wenn es jedoch auch auf eine sehr gute Unterdrückung von Rundsteuersignalen ankommt, muss man eine niedrige Grenzfrequenz wählen oder man dimensioniert ein aktives Tiefpassfilter höherer Ordnung, das exakt eine Phasenverschiebung von 180 Grad bewirkt. Wie man so etwas macht, zeigt folgender Elektronik-Minikurs:

2. Der mit dem LMC555 aufgebaute Schmitt-Trigger hat systembedingt eine grosse Hystere. Man konsultiere dazu das Datenblatt. Wenn man dort die Schaltung anschaut, erkennt man, dass die Schaltschwellen immer bei 1/3 und 2/3 der Betriebsspannung betragen. Auch das gibt eine signifikante Phasenverschiebung, die auch von der Amplitude der Eingangsspannung beim LMC555 abhängig ist. Diese grosse Hystere hat selbst schon ein hohes Mass an Störsignalunterdrückung.

Wenn eine sehr geringe Phasenverschiebung relevant ist, muss man mit einem Komparator arbeiten, der stets exakt beim Phasennulldurchgang schaltet und wenn man drauf angewiesen ist höherfrequente Störsignale trotzdem zu unterdrücken, muss man dem Komparator eine sehr geringe Hysterese mittels positiver Rückkopplung verpassen und man wird kaum drum herum kommen, ein aktives Tiefpassfilter, wie oben beschrieben, einzusetzen. Oder es gibt noch eine weitere Möglichkeit: Wenn jemand eine Lösung parat hat, so möge man mir bitte per E-Mail davon berichten. Bevor man mir speicherfressende Schaltbilder sendet, bitte vorher erst mal ankuendigen.

Ganz nebenbei, im Kapitel Spannungsdiagramme am LMC555-Ausgang ist das Thema Phasenverschiebung (Bild 10.1 /10.2) bereits angedeutet...