隨著信息量的增大,基準(zhǔn)時(shí)鐘信號在高速化的同時(shí),也要求低噪音化.例如,數(shù)字無線通信的調(diào)制方式的多值化,車載毫米波雷達(dá)等的高分辨率的必要性,以及數(shù)字音頻在DA轉(zhuǎn)換中追求更高的原音再現(xiàn)性等,在很多應(yīng)用程序中都要求相位噪聲和抖動(dòng)性能等噪聲性能優(yōu)異的高品質(zhì)時(shí)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(wěn)定性,作為高品質(zhì)的時(shí)鐘信號源被許多電子設(shè)備所使用.除了頻率穩(wěn)定性,溫度特性和老化特性等長期或靜態(tài)穩(wěn)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(dòng)性能為代表的短期穩(wěn)定性.
(1)相位噪聲和相位抖動(dòng)
相位噪聲表示相位波動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)加上相位變化皋(t)的形式.相位噪聲和相位抖動(dòng)是在頻域和時(shí)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(xiàn)出來的,由皋(t)的功率譜密度S皋定義.在實(shí)際應(yīng)用中,單側(cè)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(dòng)是用時(shí)間軸表示相位變動(dòng)的噪聲指標(biāo),可以說是皋(t)本身.相位抖動(dòng)的RMS值是皋(t)的平方平均值

框中選擇動(dòng)畫序列要重復(fù)的次數(shù).但是,由于在時(shí)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(dòng)的方法.

相位變動(dòng)的功率譜密度S皋與單側(cè)頻帶評價(jià)的SSB相位噪聲L(f)之間近似中所述修改相應(yīng)參數(shù)的值.此時(shí),相位抖動(dòng)是通過在指定的偏移帶寬區(qū)間內(nèi)對相位噪聲S皋的測量值進(jìn)行積分而得到的.

圖7:根據(jù)SSB相位噪聲計(jì)算相位抖動(dòng)

(2)為了得到噪音性能優(yōu)良的時(shí)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(guān).雖然系統(tǒng)可以通過在可能的范圍內(nèi)設(shè)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(lì)電平是有限的.激勵(lì)水平過大的話,就會產(chǎn)生不必要的振動(dòng)模式,有可能導(dǎo)致振蕩狀態(tài)的異常.
過調(diào)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(fā)電平下操作會導(dǎo)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(fā)電平的操作也是相位噪聲惡化的主要原因.選擇具有優(yōu)異噪聲性能的半導(dǎo)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(nèi)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(huán)的Q值就越高.
2.低噪聲設(shè)備
噪聲指數(shù)NF,閃爍角,以減少半導(dǎo)體產(chǎn)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(shè)備.
3.PLL電路的倍頻會導(dǎo)致相位噪聲降低.
4.在可接受的范圍內(nèi)增加振蕩電路的激勵(lì)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(qū)域中使用石英振蕩器的激發(fā)電平特性.
6.過調(diào)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(lì)電平下工作時(shí),頻率變化會導(dǎo)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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