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Exakte und fehlerhafte Phasenkomparatoren

( English Version: Exact and Incorrect Phase Comparators)

Warum wird ausgerechnet der 74HCT9046 nicht mehr produziert?

Inhalt

Vorwort

In der Elektronik werden sehr häufig Phasenkomparatoren als Teil einer PLL (Phase Locked Loop, Phasenregelschleife) eingesetzt, oft für sehr hohe Frequenzen. Auch wenn zwei oder mehr Audiosignale mit gleichem Takt digitalisiert werden sollen, müssen sie synchron getaktet sein. Innerhalb eines Gerätes ergibt sich das normalerweise von alleine, aber bei vielen verschiedenen Geräten, z. B. in einem Tonstudio, muss ein zentraler Taktgeber alle Geräte mit einem Master-Takt versorgen. Dieser Master-Takt nennt sich Word-Clock und hat die Frequenz der Abtastrate von typisch 44,1 oder 48 kHz, wobei in der Praxis hin und wieder auch 32 bis 192 kHz anzutreffen sind.

Im Zusammenhang mit der Entwicklung von Audio-ADCs, die durch ein Word-Clock-Signal fremdsynchronisierbar sein sollen, wird also auch ein Phasenkomparator für das relativ niederfrequente Word-Clock-Signal gebraucht. Jeder einigermaßen erfahrene Entwickler wird spontan sagen: "Ja, da passt doch wunderbar ein 74HCT4046, der hat nicht nur einen passenden Phasenkomparator, der hat auch gleich einen VCO, um den internen Master-Clock von meistens 128 oder 256 x Word-Clock-Frequenz zu erzeugen".

Also - nein. Abgesehen davon, dass ich keinen R/C-basierten VCO mit seinem vergleichsweise hohen Jitter einsetzen wollte, sondern einen VCXO (Voltage-Controlled Crystal-Oscillator), war ich skeptisch, ob der Phasenkomparator PC2, der ausschließlich in Frage kommt, nicht eine "Macke" hat, die ich nicht akzeptieren kann. Auslöser: Die Bemerkung "No dead zone of PC2" im Datenblatt des 74HCT9046 von Philips/NXP/Nexperia.

Was ist die Dead-Zone beim 74HCT4046?

Der PC2-Ausgang ist vorgesehen, um nicht nur Frequenz-, sondern auch die in diesem Fall erforderliche Phasengleichheit eines Signals mit einem Referenzsignal zu erhalten. Die Details dazu finden sich in den Datenblättern. Der PC2-Ausgang liefert high- bzw. low-Pulse mit der Dauer der Phasendifferenz bei Phasenunterschieden. So soll es jedenfalls sein, aber:

Bei geringen Phasendifferenzen in einem Bereich von (gemessen) ca. 10 ns bleibt der PC2-Ausgang des 74HCT4046 in hochohmigem Zustand.

Das ist durch das Schaltungsprinzip des PC2 auch leicht erklärbar. In einer PLL würde also die Phase des Ausgangssignals beständig in einem Bereich von ca. 10 ns um die Phase des Referenzsignals driften, und immer erst an den Grenzen der toten Zone "merkt" der Phasenkomparator, dass da was nachzuregeln ist. Dann aber nicht etwa mit entsprechend kleinen Differenzpulsen, sondern gleich mit Impulsbreiten entsprechend der tatsächlichen Phasendifferenz. In der professionellen Audiotechnik sind solche Verhaltensweisen ein Sakrileg, und sicherlich nicht nur dort.

Das bedeutet: Ein Phasenjitter von ca. +/-5 ns ist eine eingebaute Eigenschaft des 74HCT4046.

Das gilt im übrigen prinzipiell auch für viele andere PLL-ICs, die das gleiche Komparator-Prinzip einsetzen, nur vielleicht in geringerem Maß.

Also hat man sich bei Philips (als die noch so hießen) etwas Besseres einfallen lassen. Das IC heißt 74HCT9046 und hat nicht nur einen korrekt arbeitenden Phasenkomparator, sondern auch einen verbesserten VCO, wobei letzterer in meiner Situation aber nicht gebraucht wird.

Und ausgerechnet dieses IC hat NXP (oder Nexperia?) abgekündigt!

Ich kenne keinen vergleichbaren Phasenkomparator. Es mag zwar welche geben, aber für ein fertiges Design würde das auch nicht viel helfen. Auch der 74HCT7046 hat nur einen normalen PC2. Also habe ich einen Vorrat von 74HCT9046, die noch NOS aus Fernost lieferbar sind, "gebunkert" und getestet. (Es sind wirklich originale 74HCT9046.)

Versuchsaufbau

Ein Takt wird durch zwei Phasenverzögerungen in zwei Takte, deren Verzögerungszeiten gegenläufig steuerbar sind, geleitet und auf den Referenz- und den Signaleingang einer 74HCT4046 und einer 74HCT9046 gegeben.

Das Modulationssignal ist ein niederfrequentes Dreieck-Signal mit 1 - 10 Hz und wird von einem Funktionsgenerator erzeugt.

Die PC2-Ausgangssignale der beiden Phasenkomparatoren werden durch Tiefpassfilter gefiltert und angezeigt. Der PC2-Ausgang des 74HCT4046 muss noch mit einem hochohmigen Widerstand leicht nach VCC/2 gezogen werden, um eine Anzeige zu erhalten, bei der 1. in der Dead-Zone eine mittlere Spannung entsteht, die 2. auch von der Länge des Differenzpulses abhängig ist. Der 74HCT9046 benötigt noch einen Widerstand R_SET, mit dem der Strom des PC2-Ausgangs bestimmt wird.

Die Schaltung der Signalverzögerungseinheit ist hier zu finden. Im Prinzip wird durch je zwei Ketten, in denen je 16 Buffer hintereinander geschaltet sind, das Signal von deren Betriebsspannung abhängig verzögert. Level-Konverter an den Ein- und Ausgängen sorgen für die einwandfreie Anpassung an die Betriebsspannung von 5 V. Mit zwei Differenzverstärkern werden die Betriebsspannungen der Buffer moduliert.

Aufgebaut auf einem Steckbrett sieht es so aus:

Messwerte

Bei geringem Phasenhub, hier etwa +/-12 ns, ist die tote Zone des 74HCT4046 gut zu erkennen. Aber auch, dass der 74HCT9046 in diesem Bereich eine höhere, aber nicht sprungartige Steilheit des Ausgangssignals aufweist.

Das sprunghafte Einsetzen der Differenzpulse an den Rändern der toten Zone ist auch hier gut zu erkennen.

Sollte ich in Zukunft mehr als die 74HCT9046, die ich bevorrate, brauchen, die aber gar nicht mehr oder nur zu horrenden Preisen erhältlich sein, würde ich mich über Tipps freuen, welche passenden Alternativen es gibt. Also ICs, die als reine Phasenkomparatoren, die keine Dead-Zone aufweisen, einsetzbar sind. Und bei denen nicht nur, wie bei einem einfachen XOR oder z. B. einer sog. Schwungradsynchronisation, Frequenz-, sondern auch Phasengleichheit erreicht werden kann.