seltsames PLL-Verhalten

[Jürgen Appel]

Hallo,

Ich habe vor, zwei Diodenlaser phasenzulocken, so daß die relative
Bandbreite der beiden Laser unter den 100 kHz-Bereich gedrückt wird:

Beide Laserdioden scheinen auf einen Fotodetektor und durch Regelung des
Stromes durch eine Laserdiode kann dann die Frequenz des
Schwebungssignales am Photodetektor verstellt werden, so daß der
Laseraubau im Prinzip wie ein VCO mit größerem Phasenrauschen zu
betrachten ist.
Dessen ausgang wird dann zu einem Oszillator (Funktionsgenerator)
phasengelockt.

Soweit klappt das auch alles ganz gut mit Frequenzen um 30 MHz und einer
Schleifenbandbreite um 400 kHz. Ich benötige jetzt jedoch eine
Differenzfrequenz der beiden Laser von 6.8 GHz.

Dazu drängte sich mir der ADF4007 auf
(http://www.analog.com/en/prod/0,,770_850_ADF4007,00.html): 64er-Prescaler
und schnelle PFD-Schaltung alles in einem Chip, so daß der
Hochfrequenzteil aus möglichst wenigen Bauteilen bestehen muß.

Damit bekomme ich meine beiden Laser auch problemlos frequenzgelockt,
jedoch tritt folgendes Phänomen auf:

Im gelockten Zustand hat das runtergeteilte Photodetektorsignal (107 MHz)
sowie auch das Referenzoszillatorsignal (20 MHz Funktionsgenerator*12 via
anderer PLL-> 213 MHz) auf dem Spektrumanalyser eine Bandbreite unter der
Auflösungsgrenze (wenige 10 Hz). Das ungeteilte Signal selbst nimmt aber
eine Bandbreite von ~ 2MHz ein, also deutlich mehr als 64 mal soviel.
Entsprechend der geringen Bandbreite des runtergeteilten Signals ist auch
das Fehlersignal am Ausgang der PFD-Schaltung ziemlich genau Null, obwohl
wegen der hohen Bandbreite des Originalsignals ja wohl kaum wirklich ein
Phasenlock vorliegen kann. Durch Rumprobieren am Schleifenfilter ließ sich
das auch nicht deutlich verringern.

Um der Sache auf den Grund zu gehen und das große intrinsische
Phasenrauschen des "Laser-VCOs" als Ursache auszuschließen, und zu
schauen, ob ich evtl. etwas Fundamentales falsch mache, habe ich deshalb
eine rein elektronische Schaltung ohne die Optikkomponente aufgebaut, die
sich im wesentlichen an der Beispielschaltung Fig. 13 aus dem Datenblatt
orientiert:
http://merlin.qis.ucalgary.ca/~jappel/pll/
(der Mixer HMC488MS8HG ist noch nicht bestückt).

Ich hatte gehofft, so einen schmalbandigen phasengelockten
6.8GHz-Oszillator zu erhalten und damit dann mein Lasersignal zu mixen.

Jedoch tritt auch beim Testen dieser rein elektronischen Schaltung wieder
dasselbe Problem auf: Das runtergeteilte Signal ist genau wie ich es mir
wünsche: Kein nahezu kein Phasenrauschen, Bandbreite <10 Hz, das
Ausgangssignal des VCOs deckt jedoch 2 MHz um die Zielfrequenz ab.

Was mache ich falsch? Wie kann es sein, daß die Bandbreite des VCO-Outputs
so riesig ist und nicht nicht so hübsche Bilder wie Fig. 4 des
Datenblattes in meinem Spectrum-Analysator sehe?

In der Hoffnung auf den richtigen Wink,

Jürgen

--
GPG key:
http://pgp.mit.edu:11371/pks/lookup?search=J%FCrgen+Appel&op=get

 

[Uwe Hercksen]

Jürgen Appel schrieb:

Im gelockten Zustand hat das runtergeteilte Photodetektorsignal (107 MHz)
sowie auch das Referenzoszillatorsignal (20 MHz Funktionsgenerator*12 via
anderer PLL-> 213 MHz) auf dem Spektrumanalyser eine Bandbreite unter der
Auflösungsgrenze (wenige 10 Hz). Das ungeteilte Signal selbst nimmt aber
eine Bandbreite von ~ 2MHz ein, also deutlich mehr als 64 mal soviel.
Entsprechend der geringen Bandbreite des runtergeteilten Signals ist auch
das Fehlersignal am Ausgang der PFD-Schaltung ziemlich genau Null, obwohl
wegen der hohen Bandbreite des Originalsignals ja wohl kaum wirklich ein
Phasenlock vorliegen kann. Durch Rumprobieren am Schleifenfilter ließ sich
das auch nicht deutlich verringern.

Hallo,

mal überlegen, wenn man einem Zähler ein Gemisch aus mehreren Frequenzen
zum Runterteilen vorwirft, dann kann er doch nur auf ausreichende
Flanken reagieren. Wenn die Flanken auf die der Zähler reagiert eine
stabile Frequenz haben hat auch das runtergeteilte Signal eine geringe
Bandbreite. Wenn jedoch die Frequenz am Eingang des Zählers periodisch
schwankt sollte auch die Ausgangsfrequenz entsprechend schwanken.

Kommt also doch darauf an wie die hohe Bandbreite des ungeteilten
Signals entsteht, ist da ein Rauschen überlagert, oder ist das ein
Gemisch das aus den vielen verschiedenen Resonanzfrequenzen des
optischen Resonators im Laser resultiert?

Bye

 

[Jürgen Appel]

Hallo!

Uwe Hercksen schrieb:

mal überlegen, wenn man einem Zähler ein Gemisch aus mehreren Frequenzen
zum Runterteilen vorwirft, dann kann er doch nur auf ausreichende
Flanken reagieren. Wenn die Flanken auf die der Zähler reagiert eine
stabile Frequenz haben hat auch das runtergeteilte Signal eine geringe
Bandbreite. Wenn jedoch die Frequenz am Eingang des Zählers periodisch
schwankt sollte auch die Ausgangsfrequenz entsprechend schwanken.

Eben. Das einzige, das mir einfällt, ist, daß die VCO-Frequenz mit einem
Vielfachen der Referenzfrequenz schwankt, so daß sich die Schwankungen
immer über 64 Zyklen exakt wegmitteln. Klingt aber ein wenig abstrus.

Kommt also doch darauf an wie die hohe Bandbreite des ungeteilten
Signals entsteht, ist da ein Rauschen überlagert, oder ist das ein
Gemisch das aus den vielen verschiedenen Resonanzfrequenzen des
optischen Resonators im Laser resultiert?

Bei meinem Laser hätte ich mir das notfalls noch vorstellen können, aber
der selbe Effekt tritt ja jetzt auch in meiner rein elektronischen
Schaltung mit elektronischem VCO (also ohne Laser) auf.
Und soweit ich weiß, ist da der Hauptmeschanismus, der die intrinsische
Bandbreite des VCOs erzeugt, Phasenrauschen.

Gruß
Jürgen
--
GPG key:
http://pgp.mit.edu:11371/pks/lookup?search=J%FCrgen+Appel&op=get

 

[Oliver Bartels]

On Fri, 30 Sep 2005 01:40:43 -0600, Jürgen Appel
<jappel@linux01.gwdg.de> wrote:

Im gelockten Zustand hat das runtergeteilte Photodetektorsignal (107 MHz)
sowie auch das Referenzoszillatorsignal (20 MHz Funktionsgenerator*12 via
anderer PLL-> 213 MHz)

Es ist womöglich keine gute Idee, die Referenz ihrerseits aus
einer einfachen PLL zu gewinnen, schau Dir bitte mal deren
Phasenrauschen an.

Jedoch tritt auch beim Testen dieser rein elektronischen Schaltung wieder
dasselbe Problem auf: Das runtergeteilte Signal ist genau wie ich es mir
wünsche: Kein nahezu kein Phasenrauschen, Bandbreite <10 Hz, das
Ausgangssignal des VCOs deckt jedoch 2 MHz um die Zielfrequenz ab.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten:

- Referenz taugt nix (nochmals Aufwärts-PLL ist nicht gut).
Im GHz Bereich ist die aufgrund des typisch hohen
Multiplikationsfaktors _extrem_ (quadratisch!) kritisch!

- Bei hohen Qualitätsanforderungen solltest Du den PLL Teiler
Eingang unbedingt per Buffer vom HF Signal entkoppeln,
es gibt genügend Teiler, die Dreck in das Signal einbringen.

- Zum AD816 hab' ich kein aktuelles Datenblatt gefunden
(obsolte!), die bei Google reden von einem ADSL Amp.
Ich vermute aber, dass das Teil für deine
Phasenvergleicherfrequenz trotz 120MHz im Grenzbereich
ist und eher wenig präzise und extrem störarm, eben ADSL.
Die virtuelle Masse über R14/R23 schaut ganz schlecht
aus, da kommt viel Dreck rein. Außerdem treibt das Ding
die Schleifenverstärkung noch weiter hoch.
Hier braucht es ggf. eine Vorgabe per D/A.

- Vermutlich glaubt die Bandbreite eh' wegen R18 dran, C19
ist da wegen der Streu/Pin-Kapazitäten eher nebensächlich,
das hat Auswirkungen auf Poles/Zeros der Schleife.

- Schleifenfilter passt dann eh' nicht mehr und meist sowieso nicht.

Bei diesen viele-GHz-PLL's ist das immer superkritisch, weil man
einerseits natürlich die Bandbreite des Filters gerne groß lassen
möchte, denn im Prinzip wird das Phasenrauschen dann bis zur
Schleifenbandbreite nur durch die Referenzqualität bestimmt.
"Prinzip" deshalb, weil sich die Schleife gerne Dreck einfängt
und im GHz Bereich aus der kleinsten Spannungsänderung
sofort eine große Frequenzänderung wird, die Verstärkung
ist hier in der Schleife sehr groß. Ergo möchte man bei einem
aus sich heraus stabilen und phasenrauscharmen VCO die
Schleifenbandbreite doch wieder kleiner sein lassen, damit
hochfrequente Störungen wegintegriert werden => Konflikt

Überlege Dir einfach, was alleine wenige Mikrovolt am VCO
Eingang schon für einen Frequenzsprung bedeuten, das ist bei
Deinem breitbandigen optischen "VCO" natürlich extrem.

Da der eingekoppelte Dreck leider immer erst _nachträglich_
herausgeregelt werden kann, sprich, er muss erst im Signal
als Phasenänderung sichtbar sein, durch den Frequenzteiler
durchlaufen usw., verbleibt eine Modulation, die als
Phasenrauschen sichtbar ist. Die einfache Theorie sagt zu
dem Thema leider wenig.

Manchmal ist es Weg, eine Grob- und Feinregelung einzuführen.

- Bei hohen Anforderungen an das Phasenrauschen ist der Teiler
Gift, weil er bezogen auf die s-Ebene mit 1/n wie ein großer
Spannungsteiler vor einem hochwertigen Multimeter wirkt.
Beim Rauschen macht sich das quadratisch bemerkbar,
deshalb wird bei hohen Anforderungen in der Messtechnik
lieber z.B. gegen einen Kamm gemischt und dann das
Mischprodukt auf den Phasenvergleicher gegeben.

Was mache ich falsch?

Das Verhalten Deiner PLL ist soooo untypisch nicht, die
GHz-Teile sind so fies, das ist mir nichts Neues, ein gutes
PLL Phasenrauschen bedeutet sehr viel Feinarbeit.

Beim Schleifenfilter ist zudem ganz klar eine Mischung aus
Simulation und Test angebracht, einfach Schätzen geht genau
so daneben wie gedankenlos Simulationsergebnisse übernehmen.
Ich habe mit Simulationen hier aber schon unerwartete
Ergebnisse für die Bauteilwerte erhalten, die dann in der Tat
deutlich bessere Ergebnisse gebracht haben.

Wie kann es sein, daß die Bandbreite des VCO-Outputs
so riesig ist und nicht nicht so hübsche Bilder wie Fig. 4 des
Datenblattes in meinem Spectrum-Analysator sehe?

Die Amis sind Weltmeister im Marketing und werden sich hüten,
weniger hübsche Bilder zu zeigen. Gehe davon aus, dass
alleine die verwendete Referenz um Welten besser ist als
Deine zweite PLL, aber auch um Welten teurer.
Danach fragt aber keiner bei diesen Bildern ;-)

Gruß Oliver

--
Oliver Bartels + Erding, Germany + obartels@bartels.de
http://www.bartels.de + Phone: +49-8122-9729-0 Fax: -10

 

[Peter Voelpel]

Jürgen Appel wrote:

Was mache ich falsch? Wie kann es sein, daß die Bandbreite des
VCO-Outputs so riesig ist und nicht nicht so hübsche Bilder wie Fig.
4 des Datenblattes in meinem Spectrum-Analysator sehe?

ich würde zunächst mal das Referenzssignal mit Quarzoszillatoren oder
einem TCXO als Basis erzeugen.
Deine Referenz wird schon wie verrückt rauschen

Gruss
Peter