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4-2015

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Quarze und Oszillatoren

Quarze und Oszillatoren Dies gilt unter der Voraussetzung, dass Jitter der einzige begrenzende Faktor der Konverterleistung ist. Bild 5: Central Limit Theorem – die Summe unabhängiger Zufallsfunktionen konvergiert zu einer Gauss´schen Verteilung. zu einer Gauss´schen Verteilung, wie Bild 5 zeigt (Central Limit Theorem). Deterministischer Jitter Deterministischer Jitter (DJ) hat eine Nicht- Gauss´sche Wahrscheinlichkeits-Dichtefuntion (PDF) und ist charakterisiert durch seine begrenzte Spitze-Spitze-Amplitude. Deterministischer Jitter wird ausgedrückt in Zeiteinheiten (Spitze-Spitze). Hier einige Beispiele für deterministischen Jitter: - periodischer (PJ) oder sinusförmiger Jitter: verursacht vom Netzteil - Intersymbol-Interferenz - Duty-cycle-distortion (DCD): verursacht durch unsymmetrische Anstiegs- und Abfallzeiten. - Subharmonische des Oszillators - Unkorrelierter, periodischer Jitter: durch Übersprechen anderer Signale - Korrelierter periodischer Jitter Totaler Jitter (TJ) Der totale Jitter (TJ) ist die Summe (Convolution) aller unabhängigen Jitter-Komponenten: Total Jitter (TJ) = Random Jitter (RJ) + deterministischer Jitter (DJ) (ENOB) aus. Die Genauigkeit eines Analog/ Digital-Wandlers (ADC) wird erst durch die Reinheit der verwendeten Taktfrequenz und das zugehörige SNR ermöglicht. Daher ist ein Takt mit niedrigem Jitter wesentlich für ein gutes SNR. In A/D-Wandlern begrenzt Jitter das SNR gemäß folgender Gleichung: Gleichung 17 Darin ist: f die analoge Eingangsfrequenz, die gesampelt wird und t der Jitter in rms Löst man diese Gleichung nach dem Jitter- Term auf, so erhält man: Gleichung 18 Nehmen wir zum Beispiel an, wir haben ein Eingangssignal von 80 MHz, und es wird ein SNR von 75 dB benötigt. Dann ist ein Takt mit maximal 354 fs Jitter erforderlich. Standard-Taktgeber im Vergleich zu ultrarauscharmem Oszillator Wir wollen jetzt die Phasendifferenz von zwei Oszillatoren vergleichen. Einer ist ein Standard-Quarz (Commodity Typ), der andere eine ultrarauscharme Ausführung. Die Bezeichnung „ultrarauscharm“ (ultra low phase noise) soll hier für einen Oszillator gelten mit einem Rauschflur von –160 dB/ Hz oder niedriger und weniger als –130 dBc/ Hz Phasenrauschen bei 1 kHz Offset. Diese Werte werden leicht von vielen OCXOs mit SC-Schnitt-Quarzen bei Frequenzen unter 50 MHz erreicht. Der Vergleich soll hier jedoch nicht für Quarzoszillatoren vom Referenztyp sondern vielmehr für Taktoszillatoren vorgenommen werden. Einen preiswerten Standardquarz mit Maßen von 5 x 7 mm und ±50ppm Stabilität gibt es schon für sehr wenig Geld. Welches Phasenrauschen erhält man aber von einem derartigen Taktgeber? Bild 6 zeigt das SSB-Phasenrauschen eines preiswerten Quarz-Taktgebers, Bild 7 gilt für einen ultrarauscharmen OCXO bei 100 MHz. Achten Sie beim Vergleich von Jitter-Spezifikationen verschiedener Oszillatoren darauf, dass es nicht ausreicht, nur auf den angegebenen Jitter von 1 ps rms max. (von 12 kHz bis 20 MHz) zu sehen. Beide Oszillatoren in Bild 6 und 7 erfüllen diese Spezifikation, aber eindeutig ist der OCXO ein deutlich besserer Oszillator in Bezug auf Phasenrauschen und Breitband-Jitter. Wie erreicht man ultraniedriges Phasenrauschen? Ein Commodity Oszillator ist meist nicht mehr als ein ASIC und eine blanke Quarzscheibe. Der Quarz ist ein AT-Schnitt mit Einfluss von Phasenrauschen und Jitter auf ein System Phasenrauschen oder Jitter eines Oszillators haben einen direkten Einfluss auf ein Systemverhalten. In einem HF-Kommunikationssystem beeinflusst hohes Phasenrauschen die Kommunikations-Distanz, Nachbarkalinterferenz und die Bitfehlerrate, um nur einige zu nennen. Bei den modernen High-Speed-A/D-Wandlern zahlt sich ein sauberes Taktsignal durch eine größere effektive Anzahl von Bits Bild 6: SSB-Phasenrauschverlauf eines Standard-Taktgebers 26 hf-praxis 4/2015

Quarze und Oszillatoren guten diskreten Topologie erreicht. Gemessen an der Systemverbesserung, die dadurch ermöglicht wird, lohnt der höhere Preis. Literatur 1. Brannon, Brad: „Sampled Systems and the effects of Clock Phase Noise and Jitter“, Analog Devices App. Note AN-756 2. Poore Rick: “Phase Noise and Jitter”, Agilent EEs of EDA, Mai 2001 Bild 7: SSB-Phasenrauschverlauf eines ultrarauscharmen Oszillators (Modell Crystek CCHD-950) einer Güte Q von 25 K bis 45 K. Dieser niedrige Q-Wert begrenzt das nahe Phasenrauschen. Das ASIC mit all seinen Transistoren legt das Phasenrauschen auf ungefähr –150 dBc/Hz fest. Dagegen verwendet der ultrarauscharme Oszillator eine diskrete High-performance Oszillator-Topologie mit einem Quarz im Gehäuse mit einer Güte von mehr als 70 K, die für geringes Rauschen im Nahbereich sorgt. Der Rauschflur ist niedriger als –160 dBc/ Hz. Daher wird überlegene Performance vor allem mit Quarzen hoher Güte und einer 3. Vig, John R.: ”Quartz Crystal Resonators and Oscillators”, U.S. Army Communications-Electronics Command, Januar 2001 Über den Autor Ramón M. Cerda ist Vice President of Enigneering bei Crystek. Er hat einen MSEE und einen BSEE von der Polytechnic University of New York. Cerda ist eine Autorität in der Quarzoszillator-Industrie seit mehr als 14 Jahren. Cerda´s Spezialität ist die Entwicklung von HF-Oszillatoren bis 6 GHz. • • • • • • • • • • • • • • hf-praxis 4/2015 27

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