EP Basics: Frequenzerzeugung Den richtigen Taktgeber auswählen

Autor / Redakteur: Anton Patyuchenko * / Kristin Rinortner

Frequenzerzeugungsbauteile kommen in einem breiten Spektrum von Anwendungen zum Einsatz und bieten Funktionen wie Frequenzumwandlung, Wellenformsynthese, Signalmodulation und Taktsignalerzeugung. Im Beitrag geht es um die wichtigsten Arten von Frequenzerzeugungsbausteinen, die verschiedene Funktionen in der HF-Signalkette erfüllen.

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Bild 1a: Vereinfachtes Blockschaltbild einer Phasenregelschleife (PLL).
Bild 1a: Vereinfachtes Blockschaltbild einer Phasenregelschleife (PLL).
(Bild: ADI)

Die wichtigsten Kenngrößen bei der Auswahl von HF-Bausteinen sind der Ausgangsfrequenzbereich, die Frequenzstabilität (Phasenjitter und Phasenrauschen), die spektrale Reinheit und die Schaltgeschwindigkeit (in der Online-Version ausführlich beschrieben).

Die wichtigsten Arten von Bauteilen werden im Folgenden erläutert. Ein Quarzoszillator (XO) nutzt einen piezoelektrischen Resonator (in der Regel ein Quarz (XTAL)), um eine feste Ausgangsfrequenz von einigen kHz bis zu mehreren hundert MHz zu erzeugen. Beim spannungsgesteuerten Quarzoszillator (VCXO) lässt sich die Ausgangsfrequenz um einen sehr geringen Betrag ändern.

Elektromechanische Umformer mit extrem hoher Güte

Quarzoszillatoren sind elektromechanische Umformer mit extrem hoher Güte (Q), die Werte von 100.000 übersteigen kann. Dies führt zu einer sehr stabilen Ausgangsfrequenz mit sehr geringem Phasenrauschen. Sie sind hinsichtlich ihrer maximalen Ausgangsfrequenz und Abstimmfähigkeit begrenzt. Allerdings sind sie die Wahl, wenn eine präzise Referenz zur Verfügung gestellt werden soll, um wesentlich höhere Frequenzen zu erzeugen.

Der spannungsgesteuerte Oszillator (VCO) beruht auf LC-Resonanzkreisen. Elektrische Schaltungselemente bieten gegenüber Quarzen deutlich niedrigere Gütefaktoren (typischerweise um den Faktor 1.000 weniger), ermöglichen jedoch wesentlich höhere Ausgangsfrequenzen und weite Abstimmbereiche. Der VCO erzeugt ein Ausgangssignal, dessen Frequenz sich durch eine externe Eingangsspannung steuern lässt. Der Kern eines VCO kann verschiedene Resonanzkreise nutzen.

Phasenrauschen sollte möglichst gering sein

Single-Core-VCOs, die mit Resonatoren mit hoher Güte arbeiten, bieten ein geringes Phasenrauschen über einen begrenzten Frequenzbereich. Für einen niedrigeren Gütefaktor konzipierte Oszillatoren adressieren einen Breitbandbetrieb mit mittelmäßigem Rauschverhalten.

Multiband-VCOs, die mit mehreren geschalteten Resonatorschaltungen mit hoher Güte arbeiten, sind eine Kompromisslösung, die einen Breitbandbetrieb und ein geringes Phasenrauschen ermöglicht. Dies geht jedoch auf Kosten einer niedrigeren Abstimmgeschwindigkeit. VCOs sind hervorragende Allrounder, liefern aber in der Regel kein stabiles Ausgangssignal. Daher kommen VCOs häufig in Verbindung mit Phasenregelkreisen zum Einsatz, um die Stabilität der Ausgangsfrequenz zu optimieren.

Phase-Locked-Loop stabilisiert VCO-Ausgangsfrequenz

Bei der Phasenregelschleife (PLL) handelt es sich um eine Schaltung, welche die Stabilität einer VCO-Ausgangsfrequenz sicherstellt, und die in vielen Anwendungen zur Frequenzsynthese und Taktrückgewinnung benötigt wird. Die PLL enthält einen Phasendetektor, der eine durch N geteilte Version der VCO-Frequenz mit der Referenzfrequenz vergleicht und das Differenzausgangssignal zur Anpassung der an die Abstimmleitung des VCO angelegten Gleichstrom-Steuerspannung verwendet (Bild 1a). Dadurch lässt sich jegliche Frequenzdrift sofort korrigieren.

Der PLL-IC enthält einen Fehlerdetektor (einen Phasenfrequenzdetektor mit Ladungspumpe) und einen Rückkopplungsteiler (gestrichelte Linie in Bild 1a). Außerdem sind ein zusätzlicher externer Schleifenfilter, eine präzise Referenzfrequenz und ein VCO erforderlich, um ein vollständiges Rückkopplungssystem für eine stabile Frequenzerzeugung zu erhalten. Die Realisierung dieses Systems lässt sich mit Synthesizer-ICs mit integriertem VCO erheblich vereinfachen.

Integrierter PLL-Syntheziser als vielseitige Lösung

Synthesizer mit integriertem VCO enthalten PLL und VCO in einem Gehäuse und benötigen nur eine externe Referenz sowie einen Schleifenfilter, um die gewünschte Funktion zu realisieren. Der integrierte PLL-Synthesizer ist eine vielseitige Lösung mit einem breiten Spektrum an digitalen Steuerungseinstellungen für eine genaue Frequenzerzeugung.

Die PLL enthält integrierte Leistungsteiler, Frequenzvervielfacher, Frequenzteiler und Nachlauffilter, die Frequenzen von bis zu mehreren Oktaven über den Grundtonbereich des integrierten VCO hinaus abdecken. Die jeweiligen Parameter der genannten Bauteile bestimmen den Ausgangsfrequenzbereich, das Phasenrauschen, den Jitter, die Verriegelungszeit und andere Merkmale, welche die Gesamtleistung der Synthesizerschaltung kennzeichnen.

Bild 1b: Vereinfachtes Blockschaltbild einer Translation Loop.
Bild 1b: Vereinfachtes Blockschaltbild einer Translation Loop.
(Bild: ADI)

Ein Translation Loop ist eine andere Art von Synthesizer-Lösung auf Basis des PLL-Konzeptes, die jedoch mit einem anderen Ansatz implementiert wird. Wie Bild 1b zeigt, wird hier eine integrierte Abwärtsmischstufe anstelle eines N-Teilers in der Rückkopplungsschleife verwendet, um die Schleifenverstärkung auf 1 zu setzen und das In-Band-Phasenrauschen zu minimieren.

Translation-Loop-ICs (gestrichelte Linie in Bild 1b) sind für äußerst jitterempfindliche Anwendungen konzipiert und ermöglichen zusammen mit einem externen Phasen-Frequenz-Detektor (PFD) und einem Lokaloszillator (LO) eine vollständige Frequenzsyntheselösung mit messtechnikgerechter Leistungsfähigkeit im kompakten Formfaktor.

Bild 1c: Vereinfachtes Blockschaltbild eines direkten digitalen Synthesizers (DDS).
Bild 1c: Vereinfachtes Blockschaltbild eines direkten digitalen Synthesizers (DDS).
(Bild: ADI)

Ein direkter digitaler Synthesizer (DDS) ist eine Alternative zu integrierten PLL-Synthesizern, die nach einem anderen Konzept realisiert wird. Die grundlegende DDS-Architektur ist in Bild 1c schematisch dargestellt. Ein DDS ist ein digital gesteuertes System mit einer hochgenauen Referenzfrequenz, die ein Taktsignal liefert, einem numerisch gesteuerten Oszillator (NCO), der eine digitale Version der Zielwellenform erzeugt, und einem Digital/Analog-Wandler (DAC), der den Analogausgang bereitstellt. DDS-ICs bieten Leistungsmerkmale wie hohe Schaltgeschwindigkeiten, Feinabstimmungsauflösung der Frequenz und Phase sowie geringe Ausgangsverzerrung. Sie eignen sich für Anwendungen, bei denen Rauschverhalten und hohe Frequenzflexibilität wichtig sind.

* Anton Patyuchenko ... arbeitet als arbeitet als HF-Applikationaingenieur bei Analog Devices in München.

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