Selbstabgleichende driftfreie Hochfrequenz-Phasendetektor-Schaltung

 

Ein Phasendetektor (PD) ist eine Schaltung, die Phasen einer Schwingung mit einer in der Phase definierten Referenzschwingung vergleicht. Mit PDs können Zeiteinheiten und Frequenzen gemessen werden.

Anwendungsgebiete

Die neue Technologie eröffnet einen breiten Anwendungsbereich:

  • in hochgenauen PLL Schaltungen
  • für langzeitstabile kontinuierliche Phasenmessung von HF Signalen im 10fs...100fs-Bereich (peak-to-peak)
  • zur langzeitstabilen Frequenzverteilung
  • in der optischen Metrologie (hochpräzise Zeitmessung und Reflektometrie)
  • in der Erzeugung stabiler Frequenzen für Radarsysteme und Anwendungen
  • allgemein, in der Mess- und Kommunikationstechnik mit extrem hohen Anforderungen an rauscharme und nahezu driftfreie Phasendetektoren

Problemstellung

PLLs sind Stand der Technik und als IC Bauteil am Markt erhältlich. Bisher konnte Rauscharmut bei PLLs nur über eine Reduzierung der Driftfreiheit erreicht werden oder umgekehrt. Bisherige Detektorsysteme unterliegen u.a. einer temperaturabhängigen Drift von mehreren piko-Sekunden. Die derzeit erhältlichen Phasendetektoren genügen bezüglich der Drift- und Rauscheigenschaften nicht den hohen Anforderungen z.B. der Synchronisation im femto-Sekunden Bereich der Subkomponenten eines Teilchenbeschleunigers für  Freie-Elektronen-Laser (FEL) und insbesondere nicht für Röntgenlaser (XFEL).

Dieser technische Fortschritt, patentrechtlich geschützt, steht jetzt auch anderen industriellen Hochtechnologieanwendungen zur Verfügung.

Innovation

Zur Erfüllung der Drift- und Rauschanforderungen wird ein kombinierter Detektor, bestehend aus einem selbstabgleichenden nahezu driftfreien und einem rauscharmen Phasendetektor kombiniert.

Der eigentliche selbst abgleichende nahezu driftfreie PD wird mit Hilfe eines Leistungsteilers durch die Einführung eines Nullabgleichs während einer Kalibrierungsphase optimiert. Hierbei werden die Phasendriften und tieffrequente 1/f-Phasenrauschkomponenten des Referenzgenerators, des Phasendetektors, der Zuleitungen und des Verstärkers innerhalb der Kalibrierungsschleife unterdrückt. Im Falle unterschiedlicher zu vergleichender Frequenzen kann das Abgleichprinzip erweitert werden, um auch das Driften und 1/f-Rauschen von HF-Teilern zu unterdrücken.

Praxis

Zur Messung und Synchronisation von Hochfrequenzsignalen werden Phasen-Detektoren in PLLs (Phase-Locked Loop) eingesetzt.

Vorteile

  • rauscharme, selbst-abgleichende und nahezu driftfreie HF-Phasendetektor-Schaltung
  • selbst-kalibrierende Eigenschaften
  • temperaturabhängige Langzeitdrift reduziert auf 10-100 femto-Sekunden (peak-to-peak)

 
application/pdf Drift-free phase detector.pdf (1.2 MB)
Drift-free phase detector.pdf