wolf-henning rech df9ic mailto: realisierung rauscharmer und frequenzstabiler oszillatoren im...
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Wolf-Henning Rech DF9IC
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mailto:
Realisierung rauscharmer und frequenzstabiler Oszillatorenim VHF-UHF-Bereich
52. UKW-Tagung Weinheim 9.2007 Wolf-Henning Rech DF9IC 2
Inhalt
Einführung
Grundlagen
Modell des Osillatorrauschens nach Leeson
VHF-Quarzoszillatoren
VHF-VCOs
Testaufbau VHF-VCO
Zusammenfassung
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Einführung
Großsignalverträglickeit bei 144/432/1296 MHz primär durch Oszillatorrauschen begrenzt
Verfügbare Transceiver sind deutlich schlechter, als bei konsequenter Auslegung möglich wäre
Kompromiß zwischen Oszillatorrauschen und: Aufwand/Preis/Baugröße
Abstimmbereich (Weitband-RXe)
Leistungsaufnahme
betroffen: Transceiver + (z. T.) Transverter
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Grundlagen
Deterministische und stochastische Abweichungen der Oszillatorfrequenz
Deterministisch: Temperaturdrift, Mikrofonie
Pushing (Versorgungsspannung), Pulling (Last)
Stochastisch (Rauschen): Widerstandsrauschen (Johnson-Rauschen)
Schrotrauschen (bei Halbleitern)
1/f-Effekte
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Grundlagen
„Alterung“: deterministisch und stochastisch
Langsamveränderliche Abweichungen können durch eine Regelschleife (z. B. PLL) kompensiert werden, Regelbandbreite typ. Hz ... kHz
Verbleibende schnellveränderliche Anteile: Mikrofonie => stabiler mechanischer Aufbau
Pushing => Filterung der Versorgungsspannung
Pulling => Pufferung
Rauschen => ????
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Grundlagen
Allan-Varianz der Frequenz:
Meßzeit ms s h
Kurzzeit-stabilität
Langzeit-stabilität
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Grundlagen
Phasenrauschen/Frequenzrauschen:(f)
ff0
log (f)
log f = log (f - f0)
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Grundlagen
Rauschleistung wird auf Gesamtleistung (Trägerleistung, c = carrier) bezogen und ist bandbreiteproportional
daher „dBc/Hz“Beispiele:
RX-Leistung Rauschen (2,5 kHz) Rauschen (1 Hz)
-40 dBm -100 dBc -134 dBc/Hz-20 dBm -120 dBc -154 dBc/Hz
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Modell Oszillatorrauschen
D. B. Leeson 1966: erster theoretischer Ansatz
Beschreibung für rückgekoppelten Verstärker:
VerstärkerRauschzahl FVerstärkung V'
ResonatorResonanz f0
Güten Q0 und Ql
Pin Pout
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Modell Oszillatorrauschen
Spektrale Rauschleistungsdichte
muß noch auf Verstärkereingangsleistung Pin bezogen werden
Rauschfloor +
Resonanz mit Bandbreite f
(f)
ff0
3 dB
f
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Modell Oszillatorrauschen
Geringes Phasenrauschen bedeutet: hohe belastete Güte Ql
niedrige Transistorrauschzahl F
hohe Eingangsleistung Pin
Hohe Güte + Hohe Wirkleistung im Resonator = sehr hohe Blindleistung im Resonator
weitere Effekte wie multiplikativ wirkendes 1/f-Rauschen müssen reduziert werden
=> schmale Resonanz
=> niedriger Floor
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VHF-Quarzoszillator
Quarz als Resonator (z. B. 100 MHz): Ql >= 10.000 leicht realisierbar, d. h. f =< 10 kHz
Wirkleistung im Resonator max. 1...10 mW
sehr hohe Impedanzen der Blindanteile
bei f =< 10 kHz bereits im Bereich des Floor
d.h. hohe Oszillatorleistung und kleine Rauschzahl für niedrigen Rauschfloor
insgesamt sehr gute Eigenschaften
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VHF-Quarzoszillator
Mögliche Problempunkte bei Quarzoszillatoren: C0-Kompensation verwenden, da sonst keine optimale
Phasensteilheit (Verschlechterung der effektiven Güte)
Versorgungsspannung filtern, z. B. 22 Ohm / 220 µF, um Rauschmodulation per Pushing durch rauschende Spannungsregler zu vermeiden
Pufferstufe fest ankoppeln, um SNR-Verschlechterung zu vermeiden
ersten Frequenzvervielfacher mit hohem Eingangspegel betreiben (Transistor in Emitterschaltung ungünstig)
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VHF-VCO
Resonatorgüte begrenzt (20...500)
daher hohe Oszillatorleistung wichtig
Abstimmbereich so klein wie möglich geringe Güteverschlechterung durch Varicaps
geringere Blindleistung an den Varicaps
Rauschen der Abstimmspannung
Mikrofonie!
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VHF-VCO
Varicaps begrenzen die mögliche Oszillatorleistung!
Abhilfe: Verwendung sehr vieler Dioden in Parallelschaltung (SMD-Bauteile!)
Abstimmspannung über Drosseln (ca. 1 µH) zuführen und über passive Tiefpässe filtern
aktives Element rauscharm und niedrig verstärkend bei hoher Ausgangsleistung
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Testaufbau VHF-VCO
Auswahl der Varicap nach Güte und Blindleistung
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Testaufbau VHF-VCO
Resonator Stripline mit Querschnitt:
Verstärker 4 x J310 parallel - ca. 21 dBm Kompressionsleistung und 8 dB Verstärkung
elektrisch abstimmbar 2,5 MHz bei 6 ... 16 V
Alu-Gehäuse 5 mm
FR4-Leiterplatte
beidseitig Streifenleiter
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Testaufbau VHF-VCO
ca. 50 x BB814(ca. 100 Varicaps)
Stripline-Resonatormit kapazitiverKopplung
Luft-Trimm-Cs
Verstärker4 x J310
RC-TiefpassVersorgungs-spannung
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Testaufbau VHF-VCO
Übertragung durch Resonator und Verstärker:
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Testaufbau VHF-VCO
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Testaufbau VHF-VCO
PLL: rauschoptimierte Auslegung des Schleifen-filters (aktives nötig wegen hoher Spannung)
günstig dafür ist eine hohe Vergleichsfrequenz (DDS als „Teiler“):
PLL
DDS
VCOReferenz-frequenz
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Zusammenfassung
Mit optimierten VCO/PLL-Systemen kann die Großsignalverträglichkeit im 2-m-Band um ca. 20 dB verbessert werden (1 kW macht dann nicht mehr QRM als 10 W jetzt)
VCO-Design: kleine Abstimmbandbreite, viele Varicaps, hohe Abstimmspannung, sehr hohe Oszillatorleistung, möglichst hohe Güte
PLL-Design: hohe Phasenvergleichsfrequenz (DDS-Teiler), niedrige Schleifengrenzfrequenz, Loopfilter mit passiver Ausgangsstufe