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1-2014

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HF-Praxis 1-2014

Quarze und Oszillatoren

Quarze und Oszillatoren Bild 6: Typisches SSB-Phasenrauschen eines Quarzoszillators aus Massenproduktion niedrigem Jitter erforderlich, um einen guten Signal/Rausch-Abstand (SNR) zu erhalten. Bei A/D-Wandlern begrenzt der Jitter den Signal/Rausch-Abstand (SNR) nach der folgenden Gleichung: SNR/dB = -20·log(2π·f 0·t j,RMS ) Gleichung 10 Wobei f 0 die jeweilige analoge Eingangsfrequenz ist, t j, RMS der Effektivwert des Jitters ist. Wenn wir die Gleichung 10 nach dem Term „Jitter“ auflösen, erhalten wir: t j,RMS = 10 -SNR/20 /2π·f 0 Gleichung 11 Beispiel: Wird bei einem angenommenen Eingangssignal von 80 MHz ein Signal/Rausch- Abstand (SNR) von 75 dB benötigt, dann darf der Taktgeber höchstens einen Jitter von 470 Femtosekunden (fs) haben. Dies zeigt, dass Jitter der einzige Faktor ist, der die Leistung des Datenwandlers begrenzt. Wir werden nun die Phasendifferenz zweier Oszillatoren vergleichen, der eine ein Massenprodukt, der andere einer mit extrem niedrigem Phasenrauschen. Dass manche Oszillatoren die Bezeichnung „extrem niedriges Jitter“ tragen, könnte durchaus daran liegen, dass Leistungsdaten beschönigt werden. Nach unserer Meinung ist nur bei einem Grundrauschen von -160 dBc/Hz bei 10 kHz, und niedriger als -130 dBc/Hz bei 1 kHz Offset, die Bezeichnung „Oszillator mit extrem niedrigem Phasenrauschen“ gerechtfertigt. Diese Art von Phasenrauschen wird von vielen OCXOs mit SC-Schnitt-Quarzen und Frequenzen unter 50 MHz mühelos erreicht. Heute kann man einen 5x7 mm-Oszillator aus Massenproduktion mit einer Stabilität von ±50ppm für weniger als $ 0,80 kaufen. Welche Art von Phasenrauschen zeigt dieser typische Taktgeber aus Massenproduktion? Die Oszillatoren der Crystek-Reihe CCHD- 950 (Taktgeber) und CVHD-950 (VCXO) wurden als kostengünstige Oszillatoren und VCXOs mit niedrigem Jitter ausgelegt. Diese Oszillator-Familie verwendet diskrete Komponenten, um Jitter im „Subpicosekunden“-Bereich zu einem vernünftigen Preis zu realisieren. Bild 6 und 7 stellen tatsächliche SSB-Phasenrauschdiagramme eines Taktgebers aus Massenproduktion und dem CCHD-950 bei 100 MHz dar. Es ist zu beachten, dass es beim Vergleich von Jitter-Spektren unterschiedlicher Oszillatoren nicht ausreicht, lediglich den angegebenen Jitter von 1 ps (12 MHz bis 20 MHz) zu betrachten. Beide Oszillatoren auf den Bildern 6 und 7 erreichen dieses Spektrum, aber der CCHD-950 ist bezüglich Phasenrauschen und Breitband-Jitter dem Massenprodukt deutlich überlegen. Oszillatortechnik, mit der extrem niedriges Phasenrauschen erreicht werden kann Ein Oszillator aus Massenproduktion ist nicht mehr als ein ASIC und ein Quarzkristall-Rohling. In den meisten Fällen besitzt er nicht einmal einen inneren Bypass-Kondensator. Der Quarzrohling ist ein im AT- Schnitt hergestellter Streifen mit einem Q von etwa 25 K~45 K. Dieser niedrige Q-Wert begrenzt das sog. „Close-in-Phasenrauschen“. Der ASIC mit all seinen Transistoren begrenzt das Grundrauschen auf etwa -150 dBc/Hz. Andererseits nutzt ein „echter“ Oszillator mit extrem niedrigem Phasenrauschen eine diskrete Hochleistungs-Oszillator-Topologie mit einem Q von über 70 K und weist damit exzellentes „Close-in-Phasenrauschen“ auf. Die diskrete Oszillatortopologie stabilisiert das Signal-Rausch-Verhältnis, wodurch das Grundrauschen niedriger ist als -160 dBc/ Hz. Daher wird herausragende Leistung mit Quarzen mit sehr hohem Q-Wert und einer guten, diskreten Topologie erzielt. Dieses niedrigere Phasenrauschen kostet einen Mehrpreis von etwa $ 10,00. Allerdings ist dies in den meisten Fällen kein hoher Preis angesichts der Verbesserungen, die dadurch erreicht werden können. Literaturhinweise Brannon, Brad, „Sampled Systems and the Effects of Clock Phase Noise and Jitter“, Analog Devices App. Note AN-756 Poore, Rick, „Phase Noise and Jitter“, Agilent EEs of EDA, May 2001 Bild 7: SSB-Phasenrauschen eines echten „ultra-low“-Jitter Quarzoszillators (CRYSTEK CCHD-950) Vig, John R. „Quartz Crystal Resonators and Oscillators“ 34 hf-praxis 1/2014

Bauelemente SMT-Hochpassfilter Das Hochpassfilter RHP-700+ von Mini Circuits in 50-Ohm-Technik ist ein SMD mit den Maßen 0,35 x 0,35 x 0,15 Zoll. Der Nenneinsatzbereich ist 700 MHz bis 3 GHz. Anwendungsbereiche sind beispielsweise die Mobilkommunikation und die Weltraumforschung (Radioteleskopie). Wichtige technische Daten • Arbeitstemperaturbereich -40 bis +85 °C • Lagertemperaturbereich -55 bis +100 °C • Eingangsleistung max. 500 mW • Unterdrückung von DC bis 500 MHz min. 20 dB, typ. 30 dB • Einfügedämpfung bei 1 GHz typ. 0,2 dB • SWR im Stopband typ. 20 • SWR im Durchlassbereich typ. 1,5 Feste Dämpfungsglieder mit hoher Genauigkeit Die festen Dämpfungsglieder der RCAT- Serie von Mini-Circuits sind für 50 Ohm Systemimpedanz und Leistungen bis 2 W ausgelegt. Ihre Einsatzbandbreite reicht bis 20 GHz. Das keramische Gehäuse vom Typ LTCC misst lediglich 2,25 x 2,25 x 1,1 mm 2 . Hohe Präzision und Beständigkeit zeichnen die kleinen monolithischen Attenuators aus. Dazu trägt ein patentierter Fertigungsprozess bei. Eine Kupferbeschichtung hält den Wärmewiderstand sehr gering. Anwendungsmöglichkeiten finden sich in den Bereichen Cellular Radio, PCS, Radar, Wehrtechnik und Laborbetrieb. Diese Bauelemente werden vielfach getestet, z.B. auf Eigenresonanzen, thermisches Schockverhalten, Vibration, Beschleunigung oder mechanischen Schock. Beispielsweise der Attenuator RCAT-15+ verträgt bis zu 1,6 W Eingangsleistung. Er weist ein sehr flaches Frequenzverhalten von DC bis 20 GHz auf. Er kann bleifrei gelötet werden. Weitere technische Daten • Arbeitstemperaturbereich -55 bis +125 °C • Lagertemperaturbereich -65 bis +150 °C • minimale Dämpfung bei 1 (10, 20 GHz): 14,6 (15,4, 18) dB • maximale Dämpfung bei 1 (10, 20 GHz): 15,6 (16,6, 20) dB • Return Loss bei 1 (10, 20 GHz): 30 (19,9, 14,6) dB • SWR in 2,15 (1,91, 1,65, 1,48, 1,27) bei 50 (500, 1.000, 2.000, 3.000 MHz) • SWR out 1,27 (1,1, 1,47, 2,36, 1,8) bei 50 (500, 1.000, 2.000, 3.000 MHz) • Stromaufnahme an 5 V typ. 95 mA, max. 120 mA Bidirektionaler Richtkoppler für 250 W Bei dem Richtkoppler SGBDC20-33HP+ von Mini-Circuits handelt es sich um eine 50-Ohm-SMT-Baugruppe mit nominell 20 dB Koppelfaktor. Der zweiseitige Koppler ist in einem Frequenzbereich von 300 MHz bis 3 GHz einsetzbar. Korrekt angepasst am Ausgang ist eine Durchgangsleistung bis 250 W möglich, bei offenem oder kurzgeschlossenem Ausgang deutlich weniger. Der Richtkoppler weist trotz seiner zwei Mess-Ausgänge (Forward und Reverse) eine geringe Einfügedämpfung auf. Dazu trägt auch das SWR von nur typisch 1,1 bei. Der Richtkoppler besitzt ein Gehäuse mit etwa 56 x 25 mm2 Footprint. Anwendungen liegen in den Bereichen Radar, Wehrtechnik, Satellitentechnik und Labor. Weitere technische Daten • Arbeitstemperaturbereich -55 bis +100 °C (Gehäusetemperatur) • Lagertemperaturbereich -55 bis +100 °C • Coupling 19,8...25,6 dB je nach Frequenz • Coupling Flatness max. ±0,75 dB • Directivity typ. 21…26 dB je nach Frequenz • Return Loss typ. 32,2 (30,7, 23,6) dB bei 0,3…0,7 (0,7…2,7, 2...3) GHz Koaxialer Slope Equalizer Der 50-Ohm-Slope Equalizer ZWQ-3- 222N+ von Mini Circuits ist für den Frequenzbereich 950 bis 2.150 MHz (L Band) vorgesehen. Man kann ihn sich als Attenuator mit integriertem Filter vorstellen. Die Abweichung zwischen den Dämpfungen beträgt maximal 0,4 dB. Das Gehäuse ist mit koaxialen Anschlüssen versehen (N-M/F). Weitere technische Daten • Arbeitstemperaturbereich -40 bis +85 °C • Lagertemperaturbereich -55 bis +100 °C • Eingangsleistung max. 20 dBm • Einfügedämpfung max. 5,9 (3,3, 1,7) dB bei 950 (1.500, 2.150) MHz • SWR in/out typ. 1,1, max. 1,6 Rauscharmer Verstärker Der rauscharme Breitbandverstärker ZX60-P103LN+ von Mini Circuits hat ein typisches Rauschmaß von 0,5 dB bei 1 GHz. Dies wurde mit E-PHEMT-Technologie erreicht. Der Verstärker ist zwischen 50 MHz und 3 GHz einsetzbar. Geringes Rauschen und Breitbandigkeit schließen einen hohen Dynamikbereich bei relativ geringer DC-Leistungsaufnahme nicht aus. Für 1 GHz wird ein typischer IP3 von 29,9 dBm angegeben. Das Gehäuse ist robust, schirmend und mit koaxialen Anschlüssen versehen. Es misst nur 0,75 x 0,75 Zoll. Der Eingang ist ESDgeschützt. Damit erschließen sich vielseitige Anwendungsmöglichkeiten für diesen Low-Noise- und auch Low-Cost-Verstärker in 50-Ohm-Technik, etwa als Frontend, in zellularen oder Bluetooth-Anwendungen und im Labor/Testbereich. Weitere technische Daten • Arbeitstemperaturbereich -40 bis +85 °C • Lagertemperaturbereich -55 bis +100 °C • Versorgungsspannung max. 5,5 V • Eingangsleistung max. 21 dBm • DC-Leistungsaufnahme 660 mW • Verstärkung typ. 25,2 (20,3, 15,6, 10, 6,9) dB bei 50 (500, 1.000, 2.000, 3.000 MHz) • Rauschmaß typ. 1,2 (0,4, 0,5, 0,6, 1) dB bei 50 (500, 1.000, 2.000, 3.000 MHz) • SWR in 2,15 (1,91, 1,65, 1,48, 1,27) bei 50 (500, 1.000, 2.000, 3.000 MHz) • SWR out 1,27 (1,1, 1,47, 2,36, 1,8) bei 50 (500, 1.000, 2.000, 3.000 MHz) • Stromaufnahme an 5 V typ. 95 mA, max. 120 mA ■ Mini Circuits www.minicircuits.com hf-praxis 1/2014 35

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