Den Jitter im Griff 3 Methoden zur Frequenzvervielfachung bei Oszillatoren

Für einen sicheren Datentransport bei Wireline- und Wireless-Anwendungen, müssen sich die zentralen Taktgeber für hochbitratige Übertragungsstrecken „ruhig“ verhalten. Erreicht wird dies mit hochfrequenten Quarzoszillatoren, die mittels einer ausgeklügelten Frequenzvervielfachung, eine stabile und vor allem auch Jitterarme, hohe Trägerfrequenz zur Verfügung stellen.

Anbieter zum Thema

Jauch Quartz GmbH

MicroConsult Academy GmbH

Keysight Technologies Deutschland GmbH

Die Fourier-Methode (Bild 1) ist die einfachste analoge Art der Multiplikation, die die Signalzerlegung in eine Fourier-Reihe nützt. Jedes periodische Signal lässt sich als eine Summe aus Grundfrequenz und weiteren harmonischen Anteilen darstellen. Wenn das Sinus-Ausgangssignal eines Oszillators in ein Rechtecksignal umgewandelt werden soll, wird folgende Beziehung verwendet:

x(t)=sin(v0t)+1/3sin(3v0t)+1/5sin(5v0t)+...

Anschließend ist der richtige Oberton auszuwählen. Ein Bandpass-Filters greift diesen heraus und unterdrückt die anderen Obertöne. Nachteil dieser Methode, die nur bei niedrigen Frequenzen gut funktioniert, ist, dass nur ungeradzahlige Vervielfachungsmultiplika-toren verwendet werden können.

Die einfachste Art der Frequenzmultiplikation ist die Verwendung einer PLL (Phase Locked Loop). Bei dieser Methode (Bild 2) ergibt sich das Ausgangssignal nicht durch direkte Multiplikation der Ausgangsfrequenz eines Referenzoszillators, sondern durch einen spannungsgesteuerten, unabhängigen Oszillator (VCO), der über einen Phasenkomparator mit dem Referenzoszillatorsignal synchronisiert wird. Die Frequenz, die dabei verglichen wird, ist die durch den Multiplikationsfaktor n geteilte Frequenz des VCOs.

Wegen dieser Frequenzteilung ist die Ausgangsfrequenz des VCOs im Vergleich zum Referenzoszillator um den Multiplikationsfaktor n höher, weil in der Feedback-Schleife am Komparatoreingang beide Frequenzen wieder gleich sein müssen. In einem weiten Frequenzbereich ist eine einfache Realisierung möglich, jedoch ergeben sich schlechte Jitter-Eigenschaften aufgrund von Verzögerungen, die durch die Feedback-Schleife und den Komparator verursacht werden.

Fordahl entwickelte eine analoge Methode, die sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Frequenzen gut funktioniert. Die parametrische Multiplikation (Bild 3) basiert auf der Hard-ware-Implementation einer Multiplikationsfunktion, die sich aus bestimmten Materialeigenschaften ableiten lässt. Über einen frei wählbaren Multiplikationskoeffizient kann die Frequenz des Ausgangssignals vorgegeben werden, wobei dessen Nebenschwingungen unterdrückt werden.

Ein zusätzlicher Bandpass-Filter am Ausgang verbessert die Unterdrückung dieser Nebenschwingungen. Wegen der analogen Natur dieser Multiplikation ist die spektrale Reinheit der Frequenz nxfref verbessert, und es ergeben sich ein sehr geringes Phasenrauschen sowie geringer Jitter.

Spektrumvergleich von Hochfrequenz-Oszillatoren

Verglichen wurden Oszillatoren mit einer Frequenz von 622,08 MHz. Mit der Fourier-Multiplikationsmethode ist es zumindest theoretisch möglich, mehr oder weniger die gleichen Ergebnisse wie mit der parametrischen Multiplikation zu erreichen.

In der Praxis ist es jedoch sehr schwierig, da die Induktivitäten und Kapazitäten, die für diese hohen Frequenzen benötigt werden, zu klein und nur sehr schwer abzugleichen sind. Aus diesem Grunde wird diese Methode nur bei niedrigen Frequenzen angewandt.

Mit einigen neuen Arten digitaler PLLs ist es möglich, eine bessere spektrale Reinheit, geringeren Jitter und besseres Phasenrauschen zu erreichen. Die Ergebnisse sind besser als mit einer Standard PLL, dennoch erreichen sie nicht das Niveau der parametrischen Multiplikationsmethode. Bei ihr ist die Form des Ausgangsspektrums in etwa dieselbe wie mit der Fourier-Methode bei niedrigen Frequenzen.

*Albrecht Kindermann ist Area Sales Manager bei Fordahl.

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