隨著信息量的增大,基準時鐘信號在高速化的同時,也要求低噪音化.例如,數字無線通信的調制方式的多值化,車載毫米波雷達等的高分辨率的必要性,以及數字音頻在DA轉換中追求更高的原音再現性等,在很多應用程序中都要求相位噪聲和抖動性能等噪聲性能優異的高品質時鐘信號源.有源晶振利用它的水晶振蕩器,由于其出色的頻率穩定性,作為高品質的時鐘信號源被許多電子設備所使用.除了頻率穩定性,溫度特性和老化特性等長期或靜態穩定性外,石英振蕩器具有的高Q值還具有以相位噪聲和抖動性能為代表的短期穩定性.
(1)相位噪聲和相位抖動
相位噪聲表示相位波動的功率譜密度,是表示信號純度的尺度.定距中心頻率
位置(偏移頻率)上的頻率分量表示,值越小,噪聲分量越少的信號越好,通常是由載波功率標準化的單頻帶附近的噪聲表示.
圖1是將具有相位噪聲的信號波形V(t)表示為理想正弦波的相位項加上相位變化皋(t)的形式.相位噪聲和相位抖動是在頻域和時域中獲得的相位變化皋(t).

相位噪聲是在相位變化皋(t)的頻域中表現出來的,由皋(t)的功率譜密度S皋定義.在實際應用中,單側頻帶SSB(單聲道)相位噪聲L(f)通常用于表示載波信號相對于總功率的比率,即相對于載波頻率的偏移量,以dBc/Hz表示.

相位抖動是用時間軸表示相位變動的噪聲指標,可以說是皋(t)本身.相位抖動的RMS值是皋(t)的平方平均值

框中選擇動畫序列要重復的次數.但是,由于在時域中很難高精度地測量(ti),因此通常使用測量相位噪聲并用以下方法換算成相位抖動的方法.

相位變動的功率譜密度S皋與單側頻帶評價的SSB相位噪聲L(f)之間近似中所述修改相應參數的值.此時,相位抖動是通過在指定的偏移帶寬區間內對相位噪聲S皋的測量值進行積分而得到的.

圖7:根據SSB相位噪聲計算相位抖動

(2)為了得到噪音性能優良的時鐘信號
石英晶體振蕩器的相位噪聲主要取決于石英振蕩器的Q值和信號電平,以及振蕩電路的噪聲性能.為了改善相位噪聲的載波頻率附近的相位噪聲,水晶振子的Q值尤為重要.
信號電平越高,相位噪聲電平就越低,與偏移頻率無關.雖然系統可以通過在可能的范圍內設置較高的信號電平來降低相位噪聲,但可以施加到晶體振子的激勵電平是有限的.激勵水平過大的話,就會產生不必要的振動模式,有可能導致振蕩狀態的異常.
過調可以提供較高的Q值,并且在偏移附近有效,但需要注意的是,由于晶體和振蕩電路的電阻損失較大,或者在較高激發電平下操作會導致頻率變化較大,從而降低信號純度.
另外,功率越大,晶振子的非線性引起的頻率變化就越大,有源晶振因此過大激發電平的操作也是相位噪聲惡化的主要原因.選擇具有優異噪聲性能的半導體器件非常重要.閃爍噪聲影響偏移量接近載波附近10kHz左右的中頻,而熱噪聲在所有偏移量范圍內均勻地影響信號電平.
為了得到良好的相位噪音.
1.確保振蕩電路的Q值
晶體振子的Q值越高,振蕩電路的電阻損失越小,振蕩環的Q值就越高.
2.低噪聲設備
噪聲指數NF,閃爍角,以減少半導體產生的噪聲,例如熱噪聲,快照噪聲和閃爍噪聲請選擇低頻率設備.
3.PLL電路的倍頻會導致相位噪聲降低.
4.在可接受的范圍內增加振蕩電路的激勵電平.
5.由于噪聲特性是信號電平與噪聲功率之間的相對值,因此信號電平越高越有利.但是,必須在平坦區域中使用石英振蕩器的激發電平特性.
6.過調可提供較高的Q值,并且在偏移附近有效.但是,需要注意的是,由于石英晶振和振蕩電路的電阻損失較大,或者在高激勵電平下工作時,頻率變化會導致相位噪聲降低.
7.如有必要,請將旁路電容器配置在電源,GND端子上,以最小距離抑制電源噪聲.

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有源晶振的相位噪聲取決于Q值和信號電平

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