首頁晶振行業(yè)動(dòng)態(tài) 測(cè)量石英晶體振蕩器相位噪聲的詳細(xì)步驟講解
測(cè)量石英晶體振蕩器相位噪聲的詳細(xì)步驟講解
來源：http://www.element79mechanical.com 作者：億金電子 2018年12月19
石英晶體振蕩器是具有振動(dòng)晶體,用于獲得輸出功能的模塊.石英晶體振蕩器僅通過施加電壓即可獲得穩(wěn)定輸出.石英晶體振蕩器也就是我們說的有源晶振,具有1.7V/2.5V/3V/3.3V/5V等多種電源電壓,被用于無線網(wǎng)絡(luò),智能家電,數(shù)碼電子,筆記本,智能手機(jī),GPS導(dǎo)航,網(wǎng)絡(luò)交換機(jī),航空設(shè)備,汽車控制等領(lǐng)域.
諸如晶體振蕩器之類的信號(hào)源在輸出頻率附近產(chǎn)生一小部分不希望的能量（相位噪聲）.隨著通信和雷達(dá)等系統(tǒng)性能的提高,它們采用的晶體振蕩器的頻譜純度越來越重要.在頻域中測(cè)量相位噪聲,并且表示為在與期望信號(hào)的給定偏移處的1Hz帶寬中測(cè)量的信號(hào)功率與噪聲功率的比率.
在所需信號(hào)的各種偏移處的響應(yīng)圖通常由對(duì)應(yīng)于振蕩器中的三個(gè)主要噪聲產(chǎn)生機(jī)制的三個(gè)不同斜率組成,如圖1所示.相對(duì)靠近載波（區(qū)域A）的噪聲稱為閃爍FM噪聲;其大小主要取決于晶振晶體的質(zhì)量.最佳近距離噪聲結(jié)果是在4-6MHz范圍內(nèi)使用5次泛音AT切割晶體或第3次泛音SC切割晶體獲得的.雖然平均效果不是很好,但使用10MHz區(qū)域中的3個(gè)泛音晶體也可以獲得出色的近距離噪聲性能,尤其是雙旋轉(zhuǎn)型,較高頻率的晶體由于其較低的Q值和較寬的帶寬而導(dǎo)致較高的近距噪聲.
圖1中B區(qū)的噪聲稱為“1/F”噪聲,是由半導(dǎo)體活動(dòng)引起的.采用低噪聲“L2”晶體振蕩器的設(shè)計(jì)技術(shù)將其限制在非常低的,通常無關(guān)緊要的值.圖1的區(qū)域C稱為白噪聲或?qū)拵г肼?“L2”晶體振蕩器中的特殊低噪聲電路相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)提供了顯著的改進(jìn)（15-20dB）.當(dāng)采用倍頻從較低頻率的晶體獲得所需的輸出頻率時(shí),輸出信號(hào)的相位噪聲增加20log（倍增因子）.這導(dǎo)致整個(gè)電路板上的噪聲降低大約為6dB,用于倍頻,10dB用于頻率三倍,20dB用于十倍乘法.
如圖2所示,對(duì)于不采用倍頻的振蕩器,本底噪聲幾乎與晶體頻率無關(guān).因此,對(duì)于低噪聲地板應(yīng)用,通常應(yīng)使用滿足長(zhǎng)期穩(wěn)定性要求的最高頻率晶體.然而,當(dāng)較高頻率的應(yīng)用特別需要最小的近端相位噪聲時(shí),較低頻率的晶體通?？梢猿杀对黾?這是因?yàn)榻嚯x相位噪聲比使用更高頻率晶體獲得的噪聲性能更不成比例地好.請(qǐng)注意,與固定頻率非補(bǔ)償晶體振蕩器相比,TCXO晶振和VCXO晶振中常用的變?nèi)荻O管和中等Q晶體的引入導(dǎo)致較差的近距離噪聲性能.
相位噪聲測(cè)試通過確定在指定輸出頻率下由石英晶體振蕩器傳遞的所需能量與在相鄰頻率傳遞的不需要的能量的比率來表征振蕩器的輸出頻譜純度.該比率通常表示為在來自載波的各種偏移頻率下執(zhí)行的一系列功率測(cè)量.功率測(cè)量被標(biāo)準(zhǔn)化為1Hz帶寬并且相對(duì)于載波功率電平表示.這是NIST技術(shù)說明1337中描述的標(biāo)準(zhǔn)相位波動(dòng)測(cè)量,稱為l（f）.
圖3示出了由NIST建議并由Vectron晶振用于測(cè)量l（f）的方法的框圖.來自兩個(gè)相同標(biāo)稱頻率的振蕩器的信號(hào)被施加到混頻器輸入.除非振蕩器具有出色的穩(wěn)定性,否則一個(gè)振蕩器必須具有用于鎖相的電子調(diào)諧.非常窄的頻帶鎖相環(huán)（PLL）用于在這兩個(gè)源之間保持90度的相位差.混頻器操作使得當(dāng)輸入信號(hào)異相90度（正交）時(shí),混頻器的輸出是與兩個(gè)振蕩器之間的相位差成比例的小波動(dòng)電壓.通過在頻譜分析儀上檢查該誤差信號(hào)的頻譜,可以測(cè)量這對(duì)振蕩器的相位噪聲性能.如果一個(gè)振蕩器的噪聲占主導(dǎo)地位,則直接測(cè)量其相位噪聲.當(dāng)兩個(gè)測(cè)試振蕩器電氣相似時(shí),有用且實(shí)用的近似是每個(gè)振蕩器貢獻(xiàn)測(cè)量噪聲功率的一半.當(dāng)三個(gè)或更多個(gè)振蕩器可用于測(cè)試時(shí),可以通過求解表示從振蕩器對(duì)的置換測(cè)量的數(shù)據(jù)的聯(lián)立方程來精確地計(jì)算每個(gè)振蕩器的相位噪聲.
圖4顯示了實(shí)際的l（f）測(cè)量系統(tǒng).使用該系統(tǒng)測(cè)量相位噪聲的步驟如下：
1.頻譜分析儀屏幕的校準(zhǔn).2.Phase鎖定振蕩器并建立正交.3.記錄頻譜分析儀讀數(shù)并將讀數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化為每個(gè)振蕩器的dBc/HzSSB.以下是測(cè)量石英晶體振蕩器相位噪聲的詳細(xì)步驟講解
第一步-校準(zhǔn)
為避免混頻器飽和,一個(gè)有源晶振,石英晶體振蕩器的信號(hào)電平會(huì)被10dB衰減（衰減器“A”）永久衰減.在校準(zhǔn)期間,此振蕩器的電平額外衰減80dB（衰減“B”）,以改善頻譜分析儀的動(dòng)態(tài)范圍.晶體振蕩器在頻率上是機(jī)械偏移的,并且所得到的低頻差拍信號(hào)的幅度表示-80dB的水平;它是所有后續(xù)測(cè)量的參考.使用掃頻分析儀時(shí),此電平調(diào)整到頻譜分析儀屏幕的頂行.使用數(shù)字（FFT）頻譜分析儀時(shí),儀器經(jīng)過校準(zhǔn),可讀取相對(duì)于此電平的RMSVOLTS/√Hz.當(dāng)完全電平恢復(fù)到混頻器并且振蕩器被鎖相時(shí),將相對(duì)于-80dB電平測(cè)量相位噪聲.
第二步-鎖相
通過將石英晶體振蕩器機(jī)械地調(diào)節(jié)到相同的頻率,振蕩器被鎖相到正交.當(dāng)混頻器輸出為0Vdc時(shí),指示兩個(gè)石英晶體振蕩器之間所需的90度相位差.臨時(shí)連接到頻譜分析儀的示波器或零中心電壓表是監(jiān)測(cè)正交進(jìn)度的便捷方式.PLL的工作帶寬必須遠(yuǎn)低于感興趣的最低偏移頻率,因?yàn)镻LL部分地抑制了其帶寬中的相位噪聲.廣泛使用的建立適當(dāng)環(huán)路帶寬的經(jīng)驗(yàn)方法是通過衰減器“C”逐步衰減電壓控制反饋.通過在推進(jìn)衰減器“C”的同時(shí)比較感興趣的最低偏移頻率處的連續(xù)噪聲測(cè)量,可以找到操作點(diǎn),其中測(cè)量的相位噪聲不受衰減器設(shè)置的變化的影響.此時(shí),環(huán)路帶寬不是測(cè)量的相位噪聲的因子.
第三步-讀物
讀數(shù)是根據(jù)先前在步驟1中建立的-80dB校準(zhǔn)水平進(jìn)行的.如果頻譜分析儀配備齊全以避免測(cè)量變化,則使用平滑或平均.掃描頻譜分析儀讀數(shù)通常需要進(jìn)行以下每項(xiàng)校正,而以RMS/√Hz顯示的數(shù)字分析儀讀數(shù)不需要前兩次校正.有關(guān)分析儀噪聲響應(yīng)的校正,應(yīng)參考分析儀手冊(cè).
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