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Rauschen von Z-Dioden in Oszillator-Vervielfacherketten

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Beim Bau eines 23-cm-Konverters nach DJ5XA (UKW-Berichte 4/1975, Seite 206) wurde die Oszillatorkette mit einem Spektrumanalysator untersucht. Dabei fiel der starke Rauschsockel des Signals auf. Über die Erfahrungen, die zu einer Verringerung des Rauschanteils führten, soll hier berichtet werden.

Z-Dioden mit Durchbruchspannungen von 5 V und mehr geben durch die Lawinenentladung Rauschspannungen ab (1), deren Wert vor allem von der für die Herstellung angewandten Technologie, und vom Arbeitspunkt, das heißt vom Strom durch die Diode, abhängt. Versorgt nun die Z-Diode direkt oder über einen "Längstransistor" einen Oszillator, so wird dessen Ausgangssignal frequenz- und amplitudenmoduliert. Der Modulationsgrad ist zwar sehr klein, jedoch wird die FM-Komponente in Frequenzvervielfacherketten, wie man sie für UHF- und SHF-Konverter und -Sender benötigt, mitvervielfacht. Die AM-Komponente führt zu Phasenmodulation von Stufen, die in C-Betrieb arbeiten. Der Rauschanteil kann dadurch bei ungeeigneter Auslegung der Z-Dioden-Schaltung so groß werden, daß er meßbar und hörbar stört.

Bild 1 zeigt die ursprüngliche Stabilisierungsschaltung, die einen Quarzoszillator für 70,444 MHz speist. Diese Frequenz wird auf 1268 MHz vervielfacht (× 18). Die Z-Diode ist eine BZY85/C9V1, ihr Vorwiderstand R1 beträgt 560 Ω. Bild 2 zeigt schematisch, wie das Ausgangssignal aussieht:

Bei Betriebsspannungen von 12 V und mehr beträgt der Abstand des Rauschsockels - im folgenden "Rauschabstand" genannt -55 dB. Bei Absinken der Betriebsspannung auf 9,5 V sinkt der Rauschabstand auf 30 dB!

Bild 1
Bild 1: Ursprüngliche Stabilislerungsschaltung und erste Verbesserung

Bild 2
Bild 2: Ausgangsfrequenz bei 1268 MHz mit Rauschsockel in 55 dB Abstand

Dieser sehr schlechte Wert zeigt, daß der Arbeitspunkt der Z-Diode nicht in den Bereich des Kennlinienknicks geraten dart; der Vorwiderstand R1 muß also so bemessen werden, daß auch bei der niedrigsten Betriebsspannung ausreichend Strom (einige mA) durch die Z-Diode fließt.

Um den Rauschabstand zu vergrößern, wurde nun ein keramischer Scheibenkondensator von 2,2 nF parallelgeschaltet (gestrichelt in Bild 1). Dadurch erhöhte sich der Rauschabstand von 55 auf 60 dB.

Als nächstes wurde die Z-Diode BZY85/C9V1 (Diffusionsdiode) gegen eine BZX85/C9V1 (Planardiode) getauscht, und eine Meßreihe mit verschiedenen Werten des Vorwiderstandes R1 - bei Ub = 12 V und ohne Parallelkondensator C2 - aufgenommen.

R1 (Ω)RauschabstandZ-Dioden-Strom
100045 dB2,9 mA
50052 dB5,8 mA
33354 dB8,7 mA

Überraschenderweise sind die Rauschwerte für die moderne Diode etwas schlechter; das Rauschen sah am Spektrumanalysator jedoch gröber aus als bei der Diode aus der BZY-Reihe, und bei einem Versuch mit 9,5 V zeigte sich, daß ein Parallelkondensator von 2,2 nF den Rauschabstand sofort von 30 dB auf 60 dB brachte.

Aufgrund dieser Erfahrungen wurde die Schaltung in Bild 3 entworfen und ebenfalls ausgemessen. Der Rauschabstand beträgt damit mehr als 70 dB! Dabei bleibt eine Betriebsspannungs-Änderung von 15V bis herab auf 6 V ohne Einfluß auf den Rauschabstand - wenn auch keine Stabilisierung mehr stattfindet.

Bild 3
Bild 3: Stabilisierungsschaltung mit Siebung der Rauschspannungen

Ein Einfluß des Transistortyps - probiert wurden BC107 und 2N918 - auf den Rauschabstand ist nicht feststellbar. Ebenso hat ein keramischer Kondensator zwischen Emitter und Masse keinen Einfluß, weil die Stabilisierungsschaltung an dieser Stelle sehr niederohmig ist.

Literatur

  1. Macek, Dr. O.: Z-Dioden, Eigenschaften und Anwendungen, Siemens, Technische Mitteilungen aus dem Bereich Bauelemente September 1976, Bestell-Nr. B 1593

DK1PN, Hans-Joachim Franke.