石英晶体振荡器相对于石英晶体谐振器来说可在2.5V-3.3V的任何电源电压下工作,在振荡频率上,闭合回路的相移为2nπ,当开始加电时,电路中唯一的信号是噪声.满足振荡相位条件的频率噪声分量以增大的幅度在回路中传输,增大的速率由附加分量,即小信号,回路益增和晶体网络的带宽决定.幅度继续增大,直到放大器增益因有源器件(自限幅)的非线性而减小或者由于某一自动电平控制而被减小.该振荡器具有严格的频率稳定性和低电流消耗标准.康比电子该篇文章为广大用户提供石英晶体振荡器设计中降低相位噪声的方法参考.
■抖动
从这个测量中,我们可以看到石英晶体振荡器的瞬时频率不是恒定的——它与标称频率相差很小,在任何给定的时间点都会造成频率的不确定性.这种频率变化可以被视为波形边缘相对于理想标称频率边缘的时间变化.边缘的这种时间变化称为抖动.图1说明了方波的抖动效应.

图1:抖动的时域表示.

振动可以在时域中测量,并以边缘的峰-峰时间变化来表示.然而,这种方法在一些应用中可能不是很有用,因为边缘的变化来自整个频带,并且夸大了抖动的幅度.大多数真实世界的应用程序将在某一频带内运行,因此抖动效应只需要在该频带中测量.为了有效地观察和测量特定频带上的抖动,必须转换到频域.
■相位噪声
这种到频域的转换导致了一种称为相位噪声有源晶振的测量.它表示为功率对频率的曲线图.为了理解这种测量,必须探索抖动到相位噪声的转换.测量抖动的一种方法是测量每个周期相对于平均周期的方差,如等式5[5].

（5）
该RMS周期抖动然后可以用于计算给定频率下的相位噪声,如等式6所示.

(6)
其中,фosc是振荡器的频率,ф是远离载波[5]的频率
这种计算可以在许多离散频率下完成,并编译成图形形式.上述公式[5,6]假设没有1/f噪声或突发噪声[5].在实际振荡器中,存在这些噪声源,下面将对此进行讨论.
如果我们考虑到真实世界的成分和这些电路中产生的噪声,相位噪声的计算会变得更加复杂.Leeson方程,如下文方程7所示,让我们感觉到电路噪声和电路晶振元件是如何影响相位噪声测量的[6].

(7)
其中Q1是电路的负载Q,m是来自载波的频率,c是闪烁噪声角频率,o是载波(振荡器)频率,T是开尔文温度,Paves是通过谐振器的功率,F是有源器件的噪声系数,k是Boltzmann常数.
图2显示了这个方程如何适合相位噪声图.可以看出,靠近载波,闪烁噪声控制着曲线,并且具有OSC晶振器件的拐角频率的截止频率.相位噪声图的中间部分遵循Leeson方程,是负载Q,噪声系数,功率和温度[6]的组合.对于高于0/(2Ql)的频率,地板由噪声系数,温度和功率决定.

图2:相位噪声图,显示了决定因素

从这个图中,很容易找到在振荡器设计中最小化相位噪声的引导线.使用闪烁噪声低的设备.由于9dB/倍频程部分由该量主导,因此降低电路闪烁噪声是一个非常重要的问题.BJTs具有比FETs低得多的闪烁噪声,这使得它们更适合于低相位噪声应用.6dB/倍频程部分意味着电路的Q值越高,噪声系数和功率也越受关注.如下述,OCXOs利用的晶体具有比TCXO晶振更高的Qs.更高的驱动功率也是理想的,因为这是相位噪声基底(频率高于0/(2Ql))的驱动因素.这需要权衡,因为更高的驱动水平通常会导致载波附近的相位噪声降低.
■相位噪声测量
测量相位噪声并非易事.大多数频谱分析仪没有直接测量晶体振荡器相位噪声的分辨率.图3显示了相位噪声测试的正常配置.与被测振荡器频率相同的“理想”源与振荡器混合.这产生了这两个信号的乘积,也产生了差异.使用低通滤波器,如果“理想”源与振荡器的频率完全相同,产品将被剥离,只留下差异,这将是振荡器噪声.

图3.相位噪声设置

然后,他得到的噪声信号可以由频谱分析仪测量,并以图形形式显示为dBc/Hz对Hz的曲线图.这张图表显示了功率方面的噪声(在每个特定频率下)低于载波(振荡器所需信号)的程度.
图5和6(下面)是典型的相位噪声测量图.图5显示了一个OCXO晶振(2英寸方形封装)图,其地板约为-170摄氏度,10Hz性能约为-130摄氏度.图6显示了5mmx7mmTCXO的相位噪声性能,其地板约为-155dBc,10Hz性能约为-90dBc.

图5.绿光工业YH1321-4OCXO相位噪声性能

图6.格林雷晶振T75TCXO相位噪声性能

CXO相位噪声性能通常比TCXO好得多.这是由于几个因素.OCXO固有地比TCXO更稳定,从而提高了相位噪声性能.这是因为OCXO中的石英晶振在TCXO的晶体感受到环境变化时是热稳定的,即使对这些环境温度变化有补偿,它也远不如OCXO稳定.
其次,OCXO使用不同于TCXO的晶体切割,因此具有更高的Q值.TCXO的晶体Q值约为30,000-40,000,其中SC切割的恒温晶体的Q值可能接近1,000,000.这个更高的Q值直接有助于改善振荡器的相位噪声.
最后,TCXOs被设计得更小,并且功耗非常低.这意味着它们中的大部分是使用FETs而不是BJTs构建的.FETs具有高得多的固有闪烁噪声,这使石英晶体振荡器的相位噪声特性恶化.为稳定而设计的恒温装置使用BJTs,BJTs具有更低的噪声规格,反过来相位噪声性能更好.

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