石英晶體振蕩器相對(duì)于石英晶體諧振器來說可在2.5V-3.3V的任何電源電壓下工作,在振蕩頻率上,閉合回路的相移為2nπ,當(dāng)開始加電時(shí),電路中唯一的信號(hào)是噪聲.滿足振蕩相位條件的頻率噪聲分量以增大的幅度在回路中傳輸,增大的速率由附加分量,即小信號(hào),回路益增和晶體網(wǎng)絡(luò)的帶寬決定.幅度繼續(xù)增大,直到放大器增益因有源器件(自限幅)的非線性而減小或者由于某一自動(dòng)電平控制而被減小.該振蕩器具有嚴(yán)格的頻率穩(wěn)定性和低電流消耗標(biāo)準(zhǔn).康比電子該篇文章為廣大用戶提供石英晶體振蕩器設(shè)計(jì)中降低相位噪聲的方法參考.
■抖動(dòng)
從這個(gè)測量中,我們可以看到石英晶體振蕩器的瞬時(shí)頻率不是恒定的——它與標(biāo)稱頻率相差很小,在任何給定的時(shí)間點(diǎn)都會(huì)造成頻率的不確定性.這種頻率變化可以被視為波形邊緣相對(duì)于理想標(biāo)稱頻率邊緣的時(shí)間變化.邊緣的這種時(shí)間變化稱為抖動(dòng).圖1說明了方波的抖動(dòng)效應(yīng).

圖1:抖動(dòng)的時(shí)域表示.

振動(dòng)可以在時(shí)域中測量,并以邊緣的峰-峰時(shí)間變化來表示.然而,這種方法在一些應(yīng)用中可能不是很有用,因?yàn)檫吘壍淖兓瘉碜哉麄€(gè)頻帶,并且夸大了抖動(dòng)的幅度.大多數(shù)真實(shí)世界的應(yīng)用程序?qū)⒃谀骋活l帶內(nèi)運(yùn)行,因此抖動(dòng)效應(yīng)只需要在該頻帶中測量.為了有效地觀察和測量特定頻帶上的抖動(dòng),必須轉(zhuǎn)換到頻域.
■相位噪聲
這種到頻域的轉(zhuǎn)換導(dǎo)致了一種稱為相位噪聲有源晶振的測量.它表示為功率對(duì)頻率的曲線圖.為了理解這種測量,必須探索抖動(dòng)到相位噪聲的轉(zhuǎn)換.測量抖動(dòng)的一種方法是測量每個(gè)周期相對(duì)于平均周期的方差,如等式5[5].

（5）
該RMS周期抖動(dòng)然后可以用于計(jì)算給定頻率下的相位噪聲,如等式6所示.

(6)
其中,фosc是振蕩器的頻率,ф是遠(yuǎn)離載波[5]的頻率
這種計(jì)算可以在許多離散頻率下完成,并編譯成圖形形式.上述公式[5,6]假設(shè)沒有1/f噪聲或突發(fā)噪聲[5].在實(shí)際振蕩器中,存在這些噪聲源,下面將對(duì)此進(jìn)行討論.
如果我們考慮到真實(shí)世界的成分和這些電路中產(chǎn)生的噪聲,相位噪聲的計(jì)算會(huì)變得更加復(fù)雜.Leeson方程,如下文方程7所示,讓我們感覺到電路噪聲和電路晶振元件是如何影響相位噪聲測量的[6].

(7)
其中Q1是電路的負(fù)載Q,m是來自載波的頻率,c是閃爍噪聲角頻率,o是載波(振蕩器)頻率,T是開爾文溫度,Paves是通過諧振器的功率,F是有源器件的噪聲系數(shù),k是Boltzmann常數(shù).
圖2顯示了這個(gè)方程如何適合相位噪聲圖.可以看出,靠近載波,閃爍噪聲控制著曲線,并且具有OSC晶振器件的拐角頻率的截止頻率.相位噪聲圖的中間部分遵循Leeson方程,是負(fù)載Q,噪聲系數(shù),功率和溫度[6]的組合.對(duì)于高于0/(2Ql)的頻率,地板由噪聲系數(shù),溫度和功率決定.

圖2:相位噪聲圖,顯示了決定因素

從這個(gè)圖中,很容易找到在振蕩器設(shè)計(jì)中最小化相位噪聲的引導(dǎo)線.使用閃爍噪聲低的設(shè)備.由于9dB/倍頻程部分由該量主導(dǎo),因此降低電路閃爍噪聲是一個(gè)非常重要的問題.BJTs具有比FETs低得多的閃爍噪聲,這使得它們更適合于低相位噪聲應(yīng)用.6dB/倍頻程部分意味著電路的Q值越高,噪聲系數(shù)和功率也越受關(guān)注.如下述,OCXOs利用的晶體具有比TCXO晶振更高的Qs.更高的驅(qū)動(dòng)功率也是理想的,因?yàn)檫@是相位噪聲基底(頻率高于0/(2Ql))的驅(qū)動(dòng)因素.這需要權(quán)衡,因?yàn)楦叩尿?qū)動(dòng)水平通常會(huì)導(dǎo)致載波附近的相位噪聲降低.
■相位噪聲測量
測量相位噪聲并非易事.大多數(shù)頻譜分析儀沒有直接測量晶體振蕩器相位噪聲的分辨率.圖3顯示了相位噪聲測試的正常配置.與被測振蕩器頻率相同的“理想”源與振蕩器混合.這產(chǎn)生了這兩個(gè)信號(hào)的乘積,也產(chǎn)生了差異.使用低通濾波器,如果“理想”源與振蕩器的頻率完全相同,產(chǎn)品將被剝離,只留下差異,這將是振蕩器噪聲.

圖3.相位噪聲設(shè)置

然后,他得到的噪聲信號(hào)可以由頻譜分析儀測量,并以圖形形式顯示為dBc/Hz對(duì)Hz的曲線圖.這張圖表顯示了功率方面的噪聲(在每個(gè)特定頻率下)低于載波(振蕩器所需信號(hào))的程度.
圖5和6(下面)是典型的相位噪聲測量圖.圖5顯示了一個(gè)OCXO晶振(2英寸方形封裝)圖,其地板約為-170攝氏度,10Hz性能約為-130攝氏度.圖6顯示了5mmx7mmTCXO的相位噪聲性能,其地板約為-155dBc,10Hz性能約為-90dBc.

圖5.綠光工業(yè)YH1321-4OCXO相位噪聲性能

圖6.格林雷晶振T75TCXO相位噪聲性能

CXO相位噪聲性能通常比TCXO好得多.這是由于幾個(gè)因素.OCXO固有地比TCXO更穩(wěn)定,從而提高了相位噪聲性能.這是因?yàn)镺CXO中的石英晶振在TCXO的晶體感受到環(huán)境變化時(shí)是熱穩(wěn)定的,即使對(duì)這些環(huán)境溫度變化有補(bǔ)償,它也遠(yuǎn)不如OCXO穩(wěn)定.
其次,OCXO使用不同于TCXO的晶體切割,因此具有更高的Q值.TCXO的晶體Q值約為30,000-40,000,其中SC切割的恒溫晶體的Q值可能接近1,000,000.這個(gè)更高的Q值直接有助于改善振蕩器的相位噪聲.
最后,TCXOs被設(shè)計(jì)得更小,并且功耗非常低.這意味著它們中的大部分是使用FETs而不是BJTs構(gòu)建的.FETs具有高得多的固有閃爍噪聲,這使石英晶體振蕩器的相位噪聲特性惡化.為穩(wěn)定而設(shè)計(jì)的恒溫裝置使用BJTs,BJTs具有更低的噪聲規(guī)格,反過來相位噪聲性能更好.

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石英晶體振蕩器設(shè)計(jì)中降低相位噪聲的方法

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