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Quarze und Oszillatoren

Woher Rauschen und Störsignale kommen

23. Oktober 2018, 9:30 Uhr | Gerd Reinhold, WDI

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Störquellen in einem Oszillator

Nun wollen wir beschreiben, woher einige der unerwünschten Signale und das Rauschen in einem Oszillator kommen. Wie in Gleichung 6 dargestellt, produziert ein Oszillator ein sehr komplexes Signal mit zufälligen und deterministischen Phasenvariationen, Harmonischen, Subharmonischen etc. (Bild 4).

Zufällige Rauschquellen

Für die zufälligen Komponenten sind überwiegend – aber nicht ausschließlich – drei Hauptquellen verantwortlich: thermisches Rauschen, Schrotrauschen und Funkelrauschen. Das thermisches Rauschen wird durch die Brownsche Bewegung von Elektronen aufgrund von thermischer Beeinflussung verursacht. Die Größe nimmt in Abhängigkeit von Temperatur, Bandbreite und Rauschwiderstand zu. Das Schrot- oder auch Stromrauschen entsteht durch den diskontinuierlichen Stromfluss über mögliche pn-Übergänge. Und das Funkelrauschen ist proportional zu 1/f² und in sämtlichen aktiven Bausteinen vorhanden, sowie in einigen passiven Komponenten, beispielsweise Kohleschichtwiderständen.

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Das mittenfrequenznahe Phasenrauschen des Oszillators ist direkt proportional zu dem frequenzbestimmenden Resonator Q. Je größer der Q-Wert des Resonators, desto kleiner ist das mittenfrequenznahe Phasenrauschen. Das Grundrauschen entsteht aus der Mitwirkung aller Einflüsse innerhalb der Oszillatorschaltung, auch bezeichnet als weißes Rauschen.

Deterministische Quellen

Die deterministische Komponente kann unter anderem vier Ursachen haben: Spannungsversorgung, Störsignale, Quarzkristallresonanz und Subharmonische.

Erstens, im Falle einer unsauberen Spannungsversorgung kann ein Brummsignal in den Rückkopplungspfad des Oszillators gelangen und möglicherweise die Ausgangs- bzw. Trägerfrequenz phasenmodulieren.
Zweitens, obschon Oszillatoren einen Rückkopplungspfad haben, um das gewünschte Ausgangssignal zu generieren, existieren in der Realität jedoch viele solcher Rückkopplungspfade, die Störsignale auf zahlreichen verschiedenen Frequenzen und Amplituden verursachen.
Drittens, in einem Quarzoszillator kann ein nicht genutztes Resonanzsignal des Kristalls quarzgesteuerte Störsignale (Spurious) verursachen. Das stärkste Signal wird beispielsweise als Grundsignal (Fundamental) bezeichnet, hier entstehen ungradzahlige Obertöne (z. B. 3. Oberton, 5. Oberton etc.) sowie sogenannte Störsignale (Spurious), die in jedem Quarzkristall vorkommen. Ein Oszillator kann einige dieser Signale anregen und damit eine deterministische Komponente bei dem Ausgangssignal verursachen.
Viertens, eine Subharmonische ist ein ganzzahliger Teil der Ausgangsfrequenz. Ein Oszillatorausgangssignal, abgeleitet von einer niedrigen Frequenzquelle durch eine Art Frequenzvervielfachung, verfügt über mindestens eine Subharmonische. Die Subharmonische trägt direkt zum deterministischen Jitter des Ausgangssignals und harmonischen Verzerrung bei.

Harmonische Quellen

Harmonische können durch die Nichtlinearität irgendeines Bausteins innerhalb der Oszillatorschaltung generiert werden. Hauptursachen sind jedoch pn-Übergänge, die das Signal passieren muss. Eine hohe Harmonische, zum Beispiel die elfte Harmonische, kann einen Empfänger desensibilisieren, indem sie in das Zwischen- bzw. Empfangsfrequenzband wechselt. Harmonische Verzerrung kann ein Problem werden, wenn das Ausgangssignal des Oszillators von einem Sinus- in ein Rechtecksignal zu konvertieren ist.

Fazit

Die Ausgangssignale eines Oszillators sind niemals perfekt. Die Spezifikation und Validierung der Oszillatorleistung durch den Systementwickler bedarf einer sorgfältigen Prüfung. Zusätzlich kann das System einen Oszillator leicht durch zugeführte beziehungsweise abgestrahlte Signale stören. Erfahrene HF-Techniker wissen, dass man am besten keine unerwünschten Signale generiert. Ist das nicht möglich, werden sie versuchen, diese im Nachhinein herauszufiltern.