100 MHz lage ruis oscillator

Ha RF enthousiasten,

Voor een project ben ik opzoek naar een 100 MHz oscillator met zeer lage zijbandruis.
Het is de bedoeling om stap voor stap tot een werkend apparaat te komen.
Ik heb een blokschema gemaakt en die is zeer simpel maar meer is het dan ook niet.

In de tekening ben ik uitgegaan van een LC resonator in de praktijk zal een kristal gebruikt worden.

Waar gaat het mij om..... in de eerste plaats wat heeft allemaal invloed op de zijbandruis.
Als we dat onderkennen kunnen we er misschien invloed er op uitoefenen of zelf elimineren.
Een aantal aspecten zijn direct duidelijk de versterker heeft niet alleen versterking maar een ruis bijdrage.
De resonator heeft een zekere bandbreedte en de limiter heeft niet lineaire eigenschappen.
Het is de bedoeling om deze drie onderdelen wat beter te onderzoeken om de invloed te onderkennen.

Bij zijbandruis gaat het om ruis welke binnen de vorm van het filter / resonator valt ( close in noise) je zou denken naar mate je,
verder van de resonantie frequentie komt, maar nog wel binnen de doorlaat valt dan valt het wel mee maar is dit ook zo?
Ook voor de versterker is een lage ruis wel nodig, uiteindelijk is je sinus opgebouwd uit ruis?

Hoe belangrijk is de Q van de resonator, de reden dat ik eerst van een LC kring uit gaat daar kan je mee spelen dit is,
met een kristal iets moeilijker.

Omdat ik diverse versterkers bezit ga ik mij eerst concentreren op de resonator daar zijn vaak vele vragen over zoals,
moet ik grote condensator of toch een grote spoel?
En bij een kristal mag ik die wel belasten hou ik dan nog wel een Q over?
Welke halfgeleider is beter een BJT of een FET?

Mijn oscillator concept is zoals op de tekening ik denk wel bekend maar.... ik gebruik hem ook zoals op tekening.
Dus een een resonator LC of kristal dan een versterker met een limiter en terug naar de resonator.
Ik laat mijnheer Colpitts en collega's even thuis :)

Voor de ontwikkeling is veel apparatuur en geduld nodig om heel dicht bij de resonantie frequentie te meten.
Als je zeg op + 0,1 Hz van de center frequentie wil meten ben je 10 seconden bezig.
Om een valide correlatie uit te voeren heb je 100.000 samples nodig 3 dagen wachten is heel normaal....

We gaan zien wat we allemaal op ons pad tegen komen en of het gaat lukken om op 0,05 Hz -90 dBc/Hz te bereiken :D
Een aantal zaken zal nu al duidelijk zijn je hebt een voeding nodig met zeer lage ruis (die is er niet) dus,
zullen we technieken moet toepassen om te verbeteren.
Er zullen invloeden van buiten op ons afkomen denk aan temperatuur maar ook infrageluid, er is in Nederland,
geen materiaal te vinden die enige demping geeft < 5 Hz :(

Groet,
Henk.

Dus je wilt jitter kleiner dan 1 picoseconde (-150,1 dBc/Hz, vlakke ruisvloer) en FM ruis (1/f spectrum) met modulatieindex m = -110 dB op 1 Hz (om op -116 dBc/Hz uit te komen: dBc = -20*LOG(m/2).

Vergeet het maar. Dat gaat alleen in een gesloten systeem met terugmenging en feedback.

En dan komt, niet genoemd, het aspect "gaat het om de volledige golfvorm of gaat het om de positief-gaande nuldoorgangen?"

Waar ben je toch mee bezig dat het zo goed moet zijn? Defensieapparatuur voor detectie van langzaam bewegende voetgangers? Dat is zo ongeveer de eis die correspondeert. Zonder toelichting van het doel vind ik het principieel onjuist om je te helpen......

Ha Brightnoise,

Nog laat wakker dat hebben volgens mij al die techneuten Ha...Ha.
Wat ik wil? ik denk wat haalbaar is..... is een beter duiding maar goed ik begrijp je paniek :o
Het is voor een test systeem om nieuwe chips te testen die moeten inderdaad heel stabiel zijn maar niet direct defensie,
zeg maar het klok signaal.
Wat ik probeer is te kijken wat haalbaar is maar vooral hoe steekt een en ander in elkaar en waar te verbeteren.
Ik heb nu al een systeem zie foto

dit kan je met een standaard spectrum analyzer niet meten!
Een duiding van de foto want er zit een externe demper voor van 10 dB die op de foto niet is mee genomen het niveau van 20,92 dB dit wordt 30,92 dB.
Ik meet op 10 Hz van de draaggolf -86 dB in een ruis bandbreedte van 0,33 Hz.
Dit betekend -86 dB + 4,6 dB = -81,4 dBc / Hz...

Groet,
Henk.

Naar welk plaatje kijken we dan als dat geen spectrum analyzer is?

Dag electron920 (nooit gedacht dat ik nog eens rechtstreeks tegen een electron zou spreken!),

In bijgaande vind je praktische aanwijzingen om faseruis in oscillatoren binnen de perken te houden, misschien heb je er iets aan.

Ha Bobosje,

Dit is een FFT analyzer tot 2,4 GHz 40 Watt maximaal ingangsniveau.
Maar ik loop tegen de grens aan mijn ontwerp uit het verleden is vele male beter dan deze analyzer kan meten.
Dus gaan we de interferometer ombouwen van 10 MHz naar 100 MHz maar dat is een ander draadje.

@Loenie,

Dat document ken ik is zeker 15 jaar oud, het is een mooie samenvatting sommige delen zijn inmiddels door,
voortschrijdend inzicht achterhaald / bijgesteld.
Maar ook hier komt eigenlijk niets concreet naar voren m.b.t. het hoe en waarom.
Wat ik wil proberen is op een fundamenteel ander wijze tot een oscillator te komen.
In eerste instantie wil ik onderzoeken waar de knelpunten zitten en die zijn er genoeg),
met andere woorden ik laat de bestaande schakel technieken even links liggen.

Er zullen randverschijnselen aan de orde komen zoals het meten van ruis uit de voeding ik doe dit door een transformatie,
tot te passen zeg maar het (DC + ruis) als een signaal te behandelen.
Dit kan door de voedingsspanning te moduleren naar een hogere frequentie en dan correlatie toe te passen.

Groet,
Henk.

Op vrijdag 11 april 2025 10:34:47 schreef electron920:

Dat document ken ik is zeker 15 jaar oud, het is een mooie samenvatting sommige delen zijn inmiddels door,
voortschrijdend inzicht achterhaald / bijgesteld.
Maar ook hier komt eigenlijk niets concreet naar voren m.b.t. het hoe en waarom.
Wat ik wil proberen is op een fundamenteel ander wijze tot een oscillator te komen.

Groet,
Henk.

Op al je eerdere vragen staan toch echt concrete aanwijzingen in dat document, o.a. tav de Q-factor van de resonator (grotere L of grotere C), is een BJT of FET beter etc., het staat er allemaal duidelijk in uitgelegd. Ik zou zo direct ook niet kunnen verzinnen waarom er in dit document dingen achterhaald zouden zijn. Bewezen fundamentele principes laten zich immers niet achterhalen.

In eerste instantie wil ik onderzoeken waar de knelpunten zitten en die zijn er genoeg),
met andere woorden ik laat de bestaande schakel technieken even links liggen.

Er zullen randverschijnselen aan de orde komen zoals het meten van ruis uit de voeding ik doe dit door een transformatie,
tot te passen zeg maar het (DC + ruis) als een signaal te behandelen.
Dit kan door de voedingsspanning te moduleren naar een hogere frequentie en dan correlatie toe te passen.

Op basis van deze opmerkingen vermoed ik dat je te laat naar bed bent gegaan; geen flauw idee van wat je hier allemaal zegt! 8)7

Ha Loenie,

Mijn onderzoek gaat niet om het fenomeen de oscillator dat is sinds,
Edwin Armstrong de positieve feed back in 1912 ontdekte al wel bekend.
Dat wil zeggen ook Edwin Armstrong had geen idee of misschien wel maar niet beschreven welk fenomeen er achter zit.
Nee mij gaat het om (zie de opening) een oscillator met zeer lage close-in faseruis te bouwen.
Ik heb je documentje niet meer opnieuw gelezen maar kan het mij redelijk herinneren dat er niets concreets in vermeld staat.
In bijna alle studie boeken staan wel suggesties dat is ook niet zo verwonderlijk het gaat daar om de richting aan te geven.

Mijn bedoeling is dan ook om meetgegevens te verzamelen en te presenteren net iets meer als alleen de wiskundige uitwerking.
Er is met betrekking tot fase ruis en de verschillende oorzaken rekenkundig en qua statistiek denk een Allan Deviation best veel info te vinden.
Maar dit zegt helemaal niets over het ontstaan en de invloed op de oscillator alleen de statistische uitkomst.
Niet een kant en klare oplossing....... nou gaat dit draadje over eens kijken of er verbetering mogelijk zijn.

Ik denk dat je doelt op mijn laatste opmerking of niet? het meten van ruis uit een voeding of accu om vast te stellen,
of deze invloed heeft op de fase en AM ruis van de oscillator.
Ik meet al mijn voedingen om de zijband ruis te analyseren ik kan dan fase en AM ruis separaat meten.
Maar dat is voor later in een ander draadje anders loopt alles door elkaar.

Groet,
Henk.

Een update,

Om te experimenteren met een 100 MHz oscillator ga ik het volgende in elkaar knutselen.

De reden van deze opzet is de volgende, om betrouwbaar te meten aan een oscillator van,
welk type dan ook zal je altijd de feedback moeten onderbreken.
Dat is hier niet anders maar wel met een gedefinieerde impedantie die aansluit op je meetapparatuur.

De opbouw een RF versterker klasse A dus lineair een uitkoppel element op de tekening aangegeven als,
-10 dB daarna een type limiter op tekening een diode configuratie.
In eerste instantie ga ik uit van een kristal maar door het vermogen zullen 4 kristallen parallel gebruikt worden.
De serie configuratie is voor later het totaal zal dan 4 x 4 = 16 kristallen zijn.....

Opbouw van de kristallen de 1 x 4 kristallen rij vanboven naar beneden is als in een kubus dus 4 richtingen dit,
om infrageluid alvast iets te compenseren maar ook de temperatuur.
Voor de versterker ben ik uitgegaan van een hybrid van Philips (CATV) omdat ik er genoeg bezit.

De metingen..... ik ga beginnen met het meten van de selectieve versterker dit wil zeggen door het kristal maar,
uiteraard zonder positieve feedback.
Als ingangssignaal gebruik ik een Agilent E44313B en een programmeerbare ruis generator van NoiseCom.
Maar ook de reflectie demping (aanpassing) wil ik weten deze zal afhankelijk zijn van het niveau.
Ook het fase gedrag wil ik weten dit is het belangrijkste in een resonator en is zeer stijl.

Wat als het een oscillator wordt? als de lus gesloten wordt gaan we van een twee-poort naar een enkele poort.
Om aan de regeneratieve versterker te meten zeg maar parallel aan het proces van versterker naar oscillator is er,
in de feedback een demper en een aftak-element opgenomen.
Op deze manier kan ik stap voor stap meer feedback geven zeg maar het Q5 proces tot net voor dat het een oscillator wordt.
Daar wil ik kijken hoe de zijband ruis zich ontwikkeld in relatie met de Q die wat ik denk niet zo belangrijk is,
als wij denken de steilheid van de fase (door de nul) weegt veel zwaarder.
Maar goed onderzoek moet het uitwijzen..... verder wil ik onderzoeken wat de invloed is van de limiter / amplitude regelaar,
net voor het oscilleer proces de AM naar FM (fase) conversie.
Later meer.......

Groet,
Henk.

Interessant. Ik snap die vele kristallen niet.
Afhankelijk van hoe sterk de kristallen gekoppeld zijn kun je een ontzettend grillige doorlaatkarakteristiek krijgen. Gekoppelde resonantiekringen zijn raar. Ga je geen raar gedrag krijgen als je het zo bouwt?

En ik neem aan dat de spoel L6 tussen 24V en condensatoren moet, ipv tussen condensatoren en versterker.

Ha (Z)weetvoetje,

Het aantal kristallen..... hang me niet op aan het uiteindelijke aantal dat moet ik experimenteel vast stellen,
wat heeft nog nut en wat niet.
Het doel voor het gebruik van meervoudige, in serie geschakelde kwartskristal resonatoren is om de (netto),
korte termijn frequentie-instabiliteit van de resonator te verminderen.
De impedantie karakteristiek van de resonator combinatie is eenvoudigweg N maal die van elke resonator.
Verder is het zo dat de netto serieresonantiefrequentie van de combinatie het gemiddelde van de individuele resonator serieresonantiefrequentie is.
Omdat ik het drive niveau N keer kan verhogen zal niet alleen het spectrum dicht bij fo maar ook de veraf ruis (witte fase ruis) 10 log N keer verbeteren.....

Om op deze wijze de kristallen te schakelen zullen de kristallen op de te gebruiken overtoon geselecteerd moeten worden.
Ik doe dit met de vector netwerkanalyzer er zijn meer methodes, maar ik meet veel meer.
Op dit moment heb ik 200st 100 MHz AT-kristallen van Tele Quartz Group om te selecteren die krijgen allemaal een rugnummer,
ik zal later de lijst laten zien wat ik allemaal meet bij binnenkomst.
Daarna worden de kristallen verouderd op 200 graden en worden ze weer gemeten ik kan dan vaststellen welke en hoeveel deviatie er in zit.
Dit is belangrijk voor de drift en dus in mijn oordeel de kwaliteit van het kristal maar ik meet ook de impedantie,
vervorming en maximaal toelaatbare vermogen.
Ik verwacht van de 200 dat er 40 voor mij bruikbare kristallen te kunnen selecteren dit wil niet zeggen dat de andere kristallen niet werken.

Daarna klaar voor gebruik omdat ik de impedantie reëel en imaginair weet kan ik het compenseren met het spoeltje en voor,
de demping van de resonantie anti resonantie gebruik ik een hoog weerstandje parallel aan het kristal.
Later meer over de kwaliteit en selectie proces.
O ja die condensator die zit voor mijn meting goed zo'n hybrid van Philips is intern goed ontkoppeld en behoeft eigenlijk helemaal niets.

Groet,
Henk.

Nouja, ik merk het op omdat bij gekoppelde kringen de resonantiefrequentie van het geheel kan verschuiven naar een frequentie boven EN een frequentie onder de originele resonantie van een enkele kring.

Zodra de energieuitwisseling in de koppeling sterker is dan de demping van de kring (en bij kristallen is de demping natuurlijk heel laag) dan krijg je die verschuiving van de resonanties.
Ik weet echter niet precies of het uitgangssignaal van een kristal sterk genoeg gekoppeld is aan het fysieke trillende kristal om dit ook echt te laten gebeuren.

Ik noem het maar even, ik kan me ook voorstellen dat je dit al lang weet. (zie fig 2.14.6 hier: https://eng.libretexts.org/Bookshelves/Electrical_Engineering/Electron… )

Klinkt in ieder geval of je degelijk aan het werk gaat met het verouderen en stabiliseren van de kristallen. Dat lijkt me heel verstandig!

Ha (Z)weetvoetje,

Nou..... dat is een terechte opmerking dat effect treed hier ook op.
Vandaar de selectie en de compensatie om een klein beetje te kunnen tunen.
Het is wel zo dat door de hoge Q ik meet niet belast gemiddeld een Qu van 1,2 miljoen de bandbreedte klein is.
later meer.......

Groet,
Henk.

Mede forumlid blackdog is wel een expert op voedingen te noemen _/-\o_ . Hij heeft een topic over een zeer schone voeding gemaakt.

https://www.circuitsonline.net/forum/view/163365#highlight=ruis

Hoop dat je daar wat aan hebt.