Phasendetektor-Atlas
Funktion
Die relative Phase von zwei HF-Signalen wird ermittelt und als analoge Spannung ausgegeben. Diese Spannung wird integriert und optional invertiert.
Der Phasendetektor kann als Teil einer PLL-Regelung eines DC-Lasers, oder für Pound-Drever-Hall-Stabilisierung eines Lasers auf eine Cavity eingesetzt werden.
Der Phasendetektor liefert für Trägerfrequenzen zwischen 10 MHz und 800 MHz ein vernünftiges Ausgangnssignal. Die analoge Bandbreite des Ausgangs liegt bei etwa 10 MHz. Die Bandbreite kann durch eine von schnelleren Operationsverstärkern auch deutlich höher ausfallen. Es ist jedoch nur eine Bandbreite sinnvoll nutzbar, die etwa eine Größenordnung kleiner als die Treägerfrequenz ist.
Optionen und Alternativen
Der Phasendetektor kann auch mit deutlich niedrigeren Eingangsfrequenzen ein valides Signal liefern. Dafür muss die AC-Kopplung der Eingangsverstärkung mit größeren Kapazitäten modifiziert werden. Außerdem sollte das RC-Netzwerk hinter dem Phasendetektor-IC an die niedrige Trägerfrequenz angepasst werden.
Wenn der Phasendetektor überbrückt wird, kann die Verstärkerstruktur der Eingangsstufe für Frequenzen bis etwa 1 GHz genutzt werden.
Bei ATLAS haben wir raus gefunden, dass die Kondensatoren C9,C10 und C13 mit 10pF statt 1nF bestückt werden müssen um einen Phasenlock hin zu bekommen.
Verstärker Wahl
Folgende Verstärker wurde getestet und erzielten einen Phasenlock:
Folgende Verstärker wurde getestet und erzielten keinen Phasenlock:
Datum
Inbetriebnahme des Prototypen: Oktober 2010
Zweite, verbesserte Version: Herbst 2011
Status
Zwei Prototypen sind aufgebaut und wurden bei ATLAS erprobt.
Eine zweite Version mit dem Ziel verbesserter HF-Eigenschaften wurde erstellt. Außerdem wurden nicht benötigte Features weggelassen. Von dieser verschlankten Version sind acht Leiterplatten hergestellt, aufgebaut und im Einsatz. Eine Kleinserie von 24 Leiterplatten wurde nachbestellt.
Aufwand für Nachbau: Eine Anzahl von unbestückten Leiterplatten sind vorhanden. Es gibt eine passende Lötpastenmaske für eine Bestückung mit einer Lötung im Ofen. In den Deckel des Gehäuses müssen etwa zehn Löchern gebohrt werden.
Entwickler
Kai-Martin, knaak@iqo.uni-hannover.de
Anwender
Ulrich Velte (ATLAS), KRb
Schaltungsprinzip
Die beiden Eingänge werden mit MMIC-Bausteinen so weit verstärkt, dass ein ausreichender Pegel für einen digitalen Phasendetektor erreicht wird. Ein passives RC-Netzwerk dient dazu, die Trägerfrequenz weitgehend wegzufiltern. Das verbleibende Phasensignal wird einerseits direkt an einem Ausgang geführt und andererseits gefiltert und integriert.
Schaltplan
Layout
Abmessungen der Leiterplatte: 101 mm x 90 mm, vier Lagen
Versorgung: ±15 V
Eingang: Signal und Referenz, SMA
Ausgang:
relative Phase, SMA
integrierte relative Phase, BNC
2x Monitor-Anschlüsse, BNC
Anzeige: Drei LEDs zeigen den momentanen Pegel des integrierten Phasensignals
grob positiv / grob negativ / um die Null
Gehäuse
Aludruckguss, Typ Hammond 1590QBG, 120x120x30mm, schwarz.
Test
An den Referenz- und den Signal-Eingang einen Sinus mit leicht unterschiedlicher Frequenz anlegen (z.B. 50 MHz und 50.000.010 Hz). Der Pegel der Referenz sollte -5 dBm sein. Der Pegel des Signals sollte -20 dBm sein (hängt von der MMIC-Vorverstärkung ab).
unter diesen Bedingungen sollte am Phase-Monitor Ausgang ein Sägezahn mit der Differenzfrequenz zu sehen sein. Die Status-LEDs sollten mit der Differenzfrequenz zwischen grün und einer der beiden anderen Farben wechseln.
Bedienung
Die Integrationskonstante und die Verstärkung kann mit DIP-Switches eingestellt werden.
Bilder
Kalkulation
was | wieviel | E-Preis | Preis | Anmerkung |
Leiterplatte | 1x | 125.00 € | 125.00 € | 1/2 von 250 EUR (Vier-Lagen-Prototyp) |
Gehäuse | 1x | 16.70 € | 16.70 € | Hammond 1590LLBBK |
* | ?x | ??.?? € | ??.?? € | … |
R,C | ??x | 0.02 € | 0.22 € | Bauform 0805 |
Bestückung | ??.00 € | bei SRM |
Verschnitt | ?.?? € | |
Summe | ??.?? € | |
Meckerliste
Was für die nächste Version zu tun ist: (: verworfen, : in Arbeit, : im Schaltplan, aber noch nicht im Layout, : erledigt)
Der Quad-Analogschalter DG211 braucht an Pin12 eine dritte Versorgungsspannung in Höhe von 5V.
IC U6 hat den Value “unknown”
“MC12093”
IC 4 hat auch den Wert “unknown”
“MCH12140”
R2 auf 470Ω (für MAR1)
U1 auf MAR1 als Pegelbegrenzer
U5 auf MSA0886
U5 auf MAR1
R7 auf 200Ω (für MSA0886)
R57 auf 470 R (für MAR1)
C9,C10,C13 auf 10 pF
Die Diode auf der Rückseite kollidiert mit dem Spannungsregler
Die Löcher für die BNC-Buchsen könnten 1-2 Zehntel größer
Nur noch SMA
Die Löcher für die M3-Schrauben der SubD-Buchse sollten etwas größer
SubD-Buchse ist weggefallen.
Das M3-Loch der Spannungsregler sollte einen größeren Abstand zu den Pins haben.
Spannungsregler werden in Version 2 an das Gehäuse geschraubt.
Die MMICs brauchen mehr Spannung!
Einen zusätzlichen Spannungsregler +12V
Variabler Spannungsregler LM317
BAT54C statt BAT64-04, da deutlich günstiger
Die Kodierschalter sollten für “Gullwing” einen breiteren Footprint haben
Keine Kodierschalter in v2
R45 bis R48 sollten sinnvollere Werte als 1kΩ haben.
Sind in v2 weggefallen
DG212 statt DG211!
Keine rechnergesteierte Umschaltung in v2
Pull-Up-Widerstände am Pin 9 von U16 und Pin16 von U13 fehlen.
Keine rechnergesteierte Umschaltung in v2
Pin7 von U16 und von U10 sollte nach Masse statt nach +5V gezogen werden.
Keine rechnergesteierte Umschaltung in v2
Den Integrator mit AD820 statt mit LM9909.
Kein Integrator in v2
Die Widerstände um U16 als 1k statt 10k. sind weggefallen
C17 auf 1nF statt 100nF.
Kein Frequenzteiler in v2
U14 heißt AD
G1312.
Kein Analogschalter in v2
Pin 16 von U14 braucht einen Pull-Up statt Pull-Down.
Kein Analogschalter in v2
Pin 10 sollte an Masse statt an +5V.→ Kein Analogschalter in v2
Pin 7 von U6 muss umgekehrt angesteuert werden.
Keine umschaltbare Invertierung in v2
Das Signal mit Frequenzteilung braucht einen getrennten Eingang mit eigener Vorverstärkung.
Kein Frequenzteiler in v2
Mehr Vorverstärkungsstufen im Signal-Gang
Zwei mal 30 dB sollten immer reichen.
Die Befestigungsschrauben brauchen mehr Platz
SMA ist nicht so dick, wie BNC
Die Aussparung für die SubD-Buchse sollte größer
kein SubD in v2
Bohrungen mit 10mm Durchmesser für die Schalter
keine Schalter in v2
Die Bohrungen für den XLR-Stecker fehlen
Die großen, stehenden BNC-Buchsen, bestücken.
keine BNCs mehr in v2
Die Status LEDs haben die falsche Reihenfolge
D201 und D202 vertauschen
Status-LEDs rot-grün-gelb statt rot-grün-rot
Unnötig, wenn die LEDs die richtige Anordnung haben.
Die Vorwiderstände für die LEDs könnten kleiner. 4k7
2k
Die LEDs sollten mit einem Transistor angesteuert werden, um Strom zu sparen.
Die Begrenzungsdioden D11 und D12 müssen in Reihe statt parallel
keine Begrenzung
Der Verstärker U15 hat für LMH6609 ein zu komplizierte Rückkopplung
LM7121, eventuell auch U12.
(noch) mehr Vias zur Masse im schnellen Ast.
Das Status-Signal sollte auf einen Ausgang geführt werden
Eine automatische Umschaltung des Reglers abhängig davon, ob die Phase läuft.
kein Regler in v2
Ein Schalter, der den Ausgang öffnet.
Der Schalter im HF-Pfad beeinträchtigt das Signal in Amplitude und Offset. Außerdem erzeugt der Phasendetektor auch beim n-fachen der Frequenz einen vernünftigen Ausgang
Frequenzteilung kann weg. Bei den Prototypen ist der Schalter am IC14 überbrückt.
Keine Frequenzteilung mehr
Es ist wünschenswert, die Verstärkung im Signalpfad besonders hoch ausfallen zu lassen.
zweimal einen MSA0886 mit Vorwiderstand 200 Ω.
Für viel Verstärkung ohne hohe Versorgungsspannung wäre der MMIC MGA-62563 besser geeignet. Der hat nebenbei besonders wenig Rauschen. Alternativ BGA427. Hauptnachteil: Diese MMICs kommen in anderen Bauformen.
Der Ausgang fast-out braucht eine Offset-Kompensation
Die Schutzdioden für de Spannungsregler sollten 1N1001 statt 1N148 sein.
Die Spannungsregler sitzen zu eng nebeneinander.
Genau richtig für PSK-Steckverbinder
Die SMD-Schottky-Dioden heißen LL4148 statt 1N4148
Der Footprint der Schottkydioden LL4148 ist zu groß
Im Versorgungsschaltplan sollte im Kommentar R300/R301 stehen statt R1/R2
R300/R301 ist 1/10 , sollte sein 10
war ein Irrtum
Die Pull-up-Widerstände an den Eingängen des Phasendetektors sollten etwas größer
R4 und R9 von 9 von 27k auf 47k.
Die Leiterplatte sollte im Gehäusedeckel etwas mehr nach oben-rechts verschoben werden. Dann gibt es mehr Platz für die Schraube der Spannungsregler
Beim XLR ist in der Bohrskizze der Abstand von den kleinen Löchern zum großen Loch falsch angegeben. Richtig ist 13 mm.
C9, C10 und C13 müssen 10pF statt 1nF sein, damit das Fehlersignal nicht spackt.
MMICs in der Bauform SO4 sind kaum noch erhältlich. Der Footprint für die MMICs sollte auf SOT343 umgestellt werden.
Formel auf dem Unterschaltplan Supply steht R1, sollte jedoch R301 heissen.
U7 sollte von LMH6609 auf LM7121 geändert werden.
U1000 sollte U2 heissen.
L1,L1000,L3 und L4 müssen von 100 mikro Henry auf 10 mikro Henry geändert werden.
Alle MMICs auf QPA4586 umändern.
Footprint von SMA-Verbinder sollte auf die Rückseite der Leiterplatte
Doku für die Montage der Spannungsregler muss hinzugefügt werden.
Vor den Spannungsreglern lieber Schutztransistoren statt Schutzdioden.