测量石英晶体振荡器相位噪声的详细步骤讲解
来源：http://www.hneyq.com 作者：亿金电子 2018年12月19
石英晶体振荡器是具有振动晶体,用于获得输出功能的模块.石英晶体振荡器仅通过施加电压即可获得稳定输出.石英晶体振荡器也就是我们说的有源晶振,具有1.7V/2.5V/3V/3.3V/5V等多种电源电压,被用于无线网络,智能家电,数码电子,笔记本,智能手机,GPS导航,网络交换机,航空设备,汽车控制等领域.
诸如晶体振荡器之类的信号源在输出频率附近产生一小部分不希望的能量（相位噪声）.随着通信和雷达等系统性能的提高,它们采用的晶体振荡器的频谱纯度越来越重要.在频域中测量相位噪声,并且表示为在与期望信号的给定偏移处的1Hz带宽中测量的信号功率与噪声功率的比率.
在所需信号的各种偏移处的响应图通常由对应于振荡器中的三个主要噪声产生机制的三个不同斜率组成,如图1所示.相对靠近载波（区域A）的噪声称为闪烁FM噪声;其大小主要取决于晶振晶体的质量.最佳近距离噪声结果是在4-6MHz范围内使用5次泛音AT切割晶体或第3次泛音SC切割晶体获得的.虽然平均效果不是很好,但使用10MHz区域中的3个泛音晶体也可以获得出色的近距离噪声性能,尤其是双旋转型,较高频率的晶体由于其较低的Q值和较宽的带宽而导致较高的近距噪声.
图1中B区的噪声称为“1/F”噪声,是由半导体活动引起的.采用低噪声“L2”晶体振荡器的设计技术将其限制在非常低的,通常无关紧要的值.图1的区域C称为白噪声或宽带噪声.“L2”晶体振荡器中的特殊低噪声电路相对于标准设计提供了显着的改进（15-20dB）.当采用倍频从较低频率的晶体获得所需的输出频率时,输出信号的相位噪声增加20log（倍增因子）.这导致整个电路板上的噪声降低大约为6dB,用于倍频,10dB用于频率三倍,20dB用于十倍乘法.
如图2所示,对于不采用倍频的振荡器,本底噪声几乎与晶体频率无关.因此,对于低噪声地板应用,通常应使用满足长期稳定性要求的最高频率晶体.然而,当较高频率的应用特别需要最小的近端相位噪声时,较低频率的晶体通常可以成倍增加.这是因为近距离相位噪声比使用更高频率晶体获得的噪声性能更不成比例地好.请注意,与固定频率非补偿晶体振荡器相比,TCXO晶振和VCXO晶振中常用的变容二极管和中等Q晶体的引入导致较差的近距离噪声性能.
相位噪声测试通过确定在指定输出频率下由石英晶体振荡器传递的所需能量与在相邻频率传递的不需要的能量的比率来表征振荡器的输出频谱纯度.该比率通常表示为在来自载波的各种偏移频率下执行的一系列功率测量.功率测量被标准化为1Hz带宽并且相对于载波功率电平表示.这是NIST技术说明1337中描述的标准相位波动测量,称为l（f）.
图3示出了由NIST建议并由Vectron晶振用于测量l（f）的方法的框图.来自两个相同标称频率的振荡器的信号被施加到混频器输入.除非振荡器具有出色的稳定性,否则一个振荡器必须具有用于锁相的电子调谐.非常窄的频带锁相环（PLL）用于在这两个源之间保持90度的相位差.混频器操作使得当输入信号异相90度（正交）时,混频器的输出是与两个振荡器之间的相位差成比例的小波动电压.通过在频谱分析仪上检查该误差信号的频谱,可以测量这对振荡器的相位噪声性能.如果一个振荡器的噪声占主导地位,则直接测量其相位噪声.当两个测试振荡器电气相似时,有用且实用的近似是每个振荡器贡献测量噪声功率的一半.当三个或更多个振荡器可用于测试时,可以通过求解表示从振荡器对的置换测量的数据的联立方程来精确地计算每个振荡器的相位噪声.
图4显示了实际的l（f）测量系统.使用该系统测量相位噪声的步骤如下：
1.频谱分析仪屏幕的校准.2.Phase锁定振荡器并建立正交.3.记录频谱分析仪读数并将读数标准化为每个振荡器的dBc/HzSSB.以下是测量石英晶体振荡器相位噪声的详细步骤讲解
第一步-校准
为避免混频器饱和,一个有源晶振,石英晶体振荡器的信号电平会被10dB衰减（衰减器“A”）永久衰减.在校准期间,此振荡器的电平额外衰减80dB（衰减“B”）,以改善频谱分析仪的动态范围.晶体振荡器在频率上是机械偏移的,并且所得到的低频差拍信号的幅度表示-80dB的水平;它是所有后续测量的参考.使用扫频分析仪时,此电平调整到频谱分析仪屏幕的顶行.使用数字（FFT）频谱分析仪时,仪器经过校准,可读取相对于此电平的RMSVOLTS/√Hz.当完全电平恢复到混频器并且振荡器被锁相时,将相对于-80dB电平测量相位噪声.
第二步-锁相
通过将石英晶体振荡器机械地调节到相同的频率,振荡器被锁相到正交.当混频器输出为0Vdc时,指示两个石英晶体振荡器之间所需的90度相位差.临时连接到频谱分析仪的示波器或零中心电压表是监测正交进度的便捷方式.PLL的工作带宽必须远低于感兴趣的最低偏移频率,因为PLL部分地抑制了其带宽中的相位噪声.广泛使用的建立适当环路带宽的经验方法是通过衰减器“C”逐步衰减电压控制反馈.通过在推进衰减器“C”的同时比较感兴趣的最低偏移频率处的连续噪声测量,可以找到操作点,其中测量的相位噪声不受衰减器设置的变化的影响.此时,环路带宽不是测量的相位噪声的因子.
第三步-读物
读数是根据先前在步骤1中建立的-80dB校准水平进行的.如果频谱分析仪配备齐全以避免测量变化,则使用平滑或平均.扫描频谱分析仪读数通常需要进行以下每项校正,而以RMS/√Hz显示的数字分析仪读数不需要前两次校正.有关分析仪噪声响应的校正,应参考分析仪手册.
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