石英振荡器系列五之如何获取更优良的相噪性能
来源：http://www.hneyq.com 作者：亿金电子 2020年10月16
石英振荡器系列五之如何获取更优良的相噪性能.
相位噪声是指相位波动的功率谱密度,是信号纯度的度量.它由与中心频率相距某个值的位置(偏移频率)处的频率分量表示,该值越小,噪声分量越少的信号越好.通常,单边带附近的噪声通过载波功率归一化并表示.事实上,从某种意义上来看石英晶体振荡器的相噪和抖动是一样的,只是两者是对同种现象的两种不同的定量方式罢了.图1显示了具有理想正弦波相位项加相位变化Φ(t)形式的相位噪声的信号波形V(t).相位噪声和相位抖动是在频率区域和时间区域中获得的相位波动Φ(t).
相位噪声以相位波动Φ(t)的频率区域表示,并由Φ(t)的功率谱密度SΦ定义.实际上,通常使用在单边带中表示的SSB(单边带)相位噪声L(f),载波信号与总功率的比值以dBc/Hz计算,以相对于载波频率的偏移为水平轴.代表.
晶体振荡器的相位噪声在很大程度上取决于晶体振荡器的Q值和信号电平以及振荡电路的噪声性能.
晶体振荡器的Q值对于改善相位噪声的载波频率附近的相位噪声尤其重要.无论偏移频率如何,信号电平越高,相位噪声电平越低.通过将信号电平设置为尽可能大的系统,可以降低相位噪声,但是可以应用于晶体振荡器的激励电平存在上限.如果激励水平过高,则可能会发生不必要的振动模式,并且振荡状态可能会变得异常.
泛音具有较高的Q值,并且在偏移附近很有效,但是要小心,因为在高激励电平下工作时,石英晶振和振荡电路的电阻损耗会变大,频率波动会变大,并且信号纯度会下降是必然的.
另外,随着功率的增加,由于晶体换能器的非线性引起的频率波动增加,因此在过度激励水平下的操作也会引起相位噪声的恶化.重要的是选择具有优异噪声性能的半导体器件.闪烁噪声会影响距载波附近大约10kHz中频附近的偏移频率,而热噪声会像信号电平一样均匀地影响整个偏移频带.
既然问题已经分析得差不多了,那么接下来就来看看应该怎么样优化有源晶振的这一性能了;首先要确保石英晶振振荡振动电路的Q值,晶体振荡器的Q值越高,振荡电路的电阻损耗越小,振荡环路的Q值越高;设备降噪是必须的,选择具有低噪声指数NF和闪烁转折频率的器件,以减少半导体噪声,例如热噪声,散粒噪声和闪烁噪声.
除此之外,PLL电路的倍频会导致相位噪声恶化.这点也要注意;同时还要尽可能增加振荡电路的激励水平.由于噪声特性是信号电平与噪声功率之间的相对值,所以信号电平越高,则越有利.然而,在平坦区域中使用晶体振荡器的激发能级特性是一个条件.泛音具有较高的Q值,在偏移附近非常有用.但是,当在高激励电平下工作时,晶体和振荡电路的电阻损耗会增加,并且由于频率波动,相位噪声会恶化,因此必须小心.
最后就是适当地在距电源和GND端子最短的地方放置一个旁路电容器,以抑制电源噪声.以上这些方法都能够很好的优化有源晶振相噪性能,对其性能的提升大有裨益.
相位噪声是指相位波动的功率谱密度,是信号纯度的度量.它由与中心频率相距某个值的位置(偏移频率)处的频率分量表示,该值越小,噪声分量越少的信号越好.通常,单边带附近的噪声通过载波功率归一化并表示.事实上,从某种意义上来看石英晶体振荡器的相噪和抖动是一样的,只是两者是对同种现象的两种不同的定量方式罢了.图1显示了具有理想正弦波相位项加相位变化Φ(t)形式的相位噪声的信号波形V(t).相位噪声和相位抖动是在频率区域和时间区域中获得的相位波动Φ(t).
晶体振荡器的Q值对于改善相位噪声的载波频率附近的相位噪声尤其重要.无论偏移频率如何,信号电平越高,相位噪声电平越低.通过将信号电平设置为尽可能大的系统,可以降低相位噪声,但是可以应用于晶体振荡器的激励电平存在上限.如果激励水平过高,则可能会发生不必要的振动模式,并且振荡状态可能会变得异常.
泛音具有较高的Q值,并且在偏移附近很有效,但是要小心,因为在高激励电平下工作时,石英晶振和振荡电路的电阻损耗会变大,频率波动会变大,并且信号纯度会下降是必然的.
另外,随着功率的增加,由于晶体换能器的非线性引起的频率波动增加,因此在过度激励水平下的操作也会引起相位噪声的恶化.重要的是选择具有优异噪声性能的半导体器件.闪烁噪声会影响距载波附近大约10kHz中频附近的偏移频率,而热噪声会像信号电平一样均匀地影响整个偏移频带.
既然问题已经分析得差不多了,那么接下来就来看看应该怎么样优化有源晶振的这一性能了;首先要确保石英晶振振荡振动电路的Q值,晶体振荡器的Q值越高,振荡电路的电阻损耗越小,振荡环路的Q值越高;设备降噪是必须的,选择具有低噪声指数NF和闪烁转折频率的器件,以减少半导体噪声,例如热噪声,散粒噪声和闪烁噪声.
除此之外,PLL电路的倍频会导致相位噪声恶化.这点也要注意;同时还要尽可能增加振荡电路的激励水平.由于噪声特性是信号电平与噪声功率之间的相对值,所以信号电平越高,则越有利.然而,在平坦区域中使用晶体振荡器的激发能级特性是一个条件.泛音具有较高的Q值,在偏移附近非常有用.但是,当在高激励电平下工作时,晶体和振荡电路的电阻损耗会增加,并且由于频率波动,相位噪声会恶化,因此必须小心.
最后就是适当地在距电源和GND端子最短的地方放置一个旁路电容器,以抑制电源噪声.以上这些方法都能够很好的优化有源晶振相噪性能,对其性能的提升大有裨益.
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