Wolf-Henning Rech DF9IC mailto: Realisierung rauscharmer und frequenzstabiler Oszillatoren im...

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  • Folie 1
  • Wolf-Henning Rech DF9IC http://www.df9ic.de mailto: Realisierung rauscharmer und frequenzstabiler Oszillatoren im VHF-UHF-Bereich
  • Folie 2
  • 52. UKW-Tagung Weinheim 9.2007Wolf-Henning Rech DF9IC2 Inhalt zEinfhrung zGrundlagen zModell des Osillatorrauschens nach Leeson zVHF-Quarzoszillatoren zVHF-VCOs zTestaufbau VHF-VCO zZusammenfassung
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  • 52. UKW-Tagung Weinheim 9.2007Wolf-Henning Rech DF9IC3 Einfhrung zGrosignalvertrglickeit bei 144/432/1296 MHz primr durch Oszillatorrauschen begrenzt zVerfgbare Transceiver sind deutlich schlechter, als bei konsequenter Auslegung mglich wre zKompromi zwischen Oszillatorrauschen und: yAufwand/Preis/Baugre yAbstimmbereich (Weitband-RXe) yLeistungsaufnahme zbetroffen: Transceiver + (z. T.) Transverter
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  • 52. UKW-Tagung Weinheim 9.2007Wolf-Henning Rech DF9IC4 Grundlagen zDeterministische und stochastische Abweichungen der Oszillatorfrequenz zDeterministisch: yTemperaturdrift, Mikrofonie yPushing (Versorgungsspannung), Pulling (Last) zStochastisch (Rauschen): yWiderstandsrauschen (Johnson-Rauschen) ySchrotrauschen (bei Halbleitern) y1/f-Effekte
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  • 52. UKW-Tagung Weinheim 9.2007Wolf-Henning Rech DF9IC5 Grundlagen zAlterung: deterministisch und stochastisch zLangsamvernderliche Abweichungen knnen durch eine Regelschleife (z. B. PLL) kompensiert werden, Regelbandbreite typ. Hz... kHz zVerbleibende schnellvernderliche Anteile: yMikrofonie => stabiler mechanischer Aufbau yPushing => Filterung der Versorgungsspannung yPulling => Pufferung yRauschen => ????
  • Folie 6
  • 52. UKW-Tagung Weinheim 9.2007Wolf-Henning Rech DF9IC6 Grundlagen zAllan-Varianz der Frequenz:
  • Folie 7
  • 52. UKW-Tagung Weinheim 9.2007Wolf-Henning Rech DF9IC7 Grundlagen zPhasenrauschen/Frequenzrauschen:
  • Folie 8
  • 52. UKW-Tagung Weinheim 9.2007Wolf-Henning Rech DF9IC8 Grundlagen zRauschleistung wird auf Gesamtleistung (Trgerleistung, c = carrier) bezogen und ist bandbreiteproportional zdaher dBc/Hz zBeispiele: RX-LeistungRauschen (2,5 kHz)Rauschen (1 Hz) -40 dBm -100 dBc -134 dBc/Hz -20 dBm -120 dBc -154 dBc/Hz
  • Folie 9
  • 52. UKW-Tagung Weinheim 9.2007Wolf-Henning Rech DF9IC9 Modell Oszillatorrauschen zD. B. Leeson 1966: erster theoretischer Ansatz zBeschreibung fr rckgekoppelten Verstrker:
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  • 52. UKW-Tagung Weinheim 9.2007Wolf-Henning Rech DF9IC10 Modell Oszillatorrauschen zSpektrale Rauschleistungsdichte mu noch auf Verstrkereingangsleistung P in bezogen werden zRauschfloor + Resonanz mit Bandbreite f 3 dB f
  • Folie 11
  • 52. UKW-Tagung Weinheim 9.2007Wolf-Henning Rech DF9IC11 Modell Oszillatorrauschen zGeringes Phasenrauschen bedeutet: yhohe belastete Gte Q l yniedrige Transistorrauschzahl F yhohe Eingangsleistung P in zHohe Gte + Hohe Wirkleistung im Resonator = sehr hohe Blindleistung im Resonator zweitere Effekte wie multiplikativ wirkendes 1/f- Rauschen mssen reduziert werden => schmale Resonanz => niedriger Floor
  • Folie 12
  • 52. UKW-Tagung Weinheim 9.2007Wolf-Henning Rech DF9IC12 VHF-Quarzoszillator zQuarz als Resonator (z. B. 100 MHz): Q l >= 10.000 leicht realisierbar, d. h. f =< 10 kHz yWirkleistung im Resonator max. 1...10 mW ysehr hohe Impedanzen der Blindanteile bei f =< 10 kHz bereits im Bereich des Floor zd.h. hohe Oszillatorleistung und kleine Rauschzahl fr niedrigen Rauschfloor zinsgesamt sehr gute Eigenschaften
  • Folie 13
  • 52. UKW-Tagung Weinheim 9.2007Wolf-Henning Rech DF9IC13 VHF-Quarzoszillator zMgliche Problempunkte bei Quarzoszillatoren: yC 0 -Kompensation verwenden, da sonst keine optimale Phasensteilheit (Verschlechterung der effektiven Gte) yVersorgungsspannung filtern, z. B. 22 Ohm / 220 F, um Rauschmodulation per Pushing durch rauschende Spannungsregler zu vermeiden yPufferstufe fest ankoppeln, um SNR-Verschlechterung zu vermeiden yersten Frequenzvervielfacher mit hohem Eingangspegel betreiben (Transistor in Emitterschaltung ungnstig)
  • Folie 14
  • 52. UKW-Tagung Weinheim 9.2007Wolf-Henning Rech DF9IC14 VHF-VCO zResonatorgte begrenzt (20...500) zdaher hohe Oszillatorleistung wichtig zAbstimmbereich so klein wie mglich ygeringe Gteverschlechterung durch Varicaps ygeringere Blindleistung an den Varicaps yRauschen der Abstimmspannung zMikrofonie!
  • Folie 15
  • 52. UKW-Tagung Weinheim 9.2007Wolf-Henning Rech DF9IC15 VHF-VCO zVaricaps begrenzen die mgliche Oszillatorleistung! zAbhilfe: Verwendung sehr vieler Dioden in Parallelschaltung (SMD-Bauteile!) zAbstimmspannung ber Drosseln (ca. 1 H) zufhren und ber passive Tiefpsse filtern zaktives Element rauscharm und niedrig verstrkend bei hoher Ausgangsleistung
  • Folie 16
  • 52. UKW-Tagung Weinheim 9.2007Wolf-Henning Rech DF9IC16 Testaufbau VHF-VCO zAuswahl der Varicap nach Gte und Blindleistung
  • Folie 17
  • 52. UKW-Tagung Weinheim 9.2007Wolf-Henning Rech DF9IC17 Testaufbau VHF-VCO zResonator Stripline mit Querschnitt: zVerstrker 4 x J310 parallel - ca. 21 dBm Kompressionsleistung und 8 dB Verstrkung zelektrisch abstimmbar 2,5 MHz bei 6... 16 V Alu-Gehuse 5 mm FR4-Leiterplatte beidseitig Streifenleiter
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  • 52. UKW-Tagung Weinheim 9.2007Wolf-Henning Rech DF9IC18 Testaufbau VHF-VCO ca. 50 x BB814 (ca. 100 Varicaps) Stripline- Resonator mit kapazitiver Kopplung Luft-Trimm-Cs Verstrker 4 x J310 RC-Tiefpass Versorgungs- spannung
  • Folie 19
  • 52. UKW-Tagung Weinheim 9.2007Wolf-Henning Rech DF9IC19 Testaufbau VHF-VCO zbertragung durch Resonator und Verstrker:
  • Folie 20
  • 52. UKW-Tagung Weinheim 9.2007Wolf-Henning Rech DF9IC20 Testaufbau VHF-VCO
  • Folie 21
  • 52. UKW-Tagung Weinheim 9.2007Wolf-Henning Rech DF9IC21 Testaufbau VHF-VCO zPLL: rauschoptimierte Auslegung des Schleifen- filters (aktives ntig wegen hoher Spannung) zgnstig dafr ist eine hohe Vergleichsfrequenz (DDS als Teiler): PLL DDS VCO Referenz- frequenz
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  • 52. UKW-Tagung Weinheim 9.2007Wolf-Henning Rech DF9IC22 Zusammenfassung zMit optimierten VCO/PLL-Systemen kann die Grosignalvertrglichkeit im 2-m-Band um ca. 20 dB verbessert werden (1 kW macht dann nicht mehr QRM als 10 W jetzt) zVCO-Design: kleine Abstimmbandbreite, viele Varicaps, hohe Abstimmspannung, sehr hohe Oszillatorleistung, mglichst hohe Gte zPLL-Design: hohe Phasenvergleichsfrequenz (DDS-Teiler), niedrige Schleifengrenzfrequenz, Loopfilter mit passiver Ausgangsstufe