有源晶振坐落在我们身边的各种电子产品中,给人们带来了更多的便利和福音.低噪声,频化高的有源晶振在GPS通信系统中是不允许频率颤抖的,相位噪声是表征振荡器频率颤抖的一个重要参数.而OCXO主流产品的相位噪声性能有很大改善.除VCXO外,其它类型的晶体振荡器最高输出频率不超过200MHz.例如用于GSM等移动电话的UCV4系列压控振荡器,其频率为650～1700MHz,电源电压2.2～3.3V,工作电流8～10mA.该篇文章康比电子来简述一下关于有源晶振的一些外部干扰以及其他的一些影响.
■测量缺陷
这个测量系统的一个问题是,你将被测振荡器与"理想的,无噪声的"振荡器混合.因为没有这种真实世界的设备,所以你必须把它和你知道的比被测设备好得多的东西混合在一起,并假设'参考'没有注入噪音.另一种选择是与相当于被测单位的东西混合,并假设两个振荡器的贡献相等.这两种方法都有固有的缺陷.通过与更好的东西进行混合,你假设参考文献中没有降级.
如果你有一个比它好10倍的参考,效果是最小的,但是你的测量仍然有退化.通过与一个相等的声源混合,并假设贡献相等,你可以将3dB添加到你的目标中,这样你就可以接受真正超出预期规格的结果,因为还有另一个噪声源.然而,你怎么知道他们是平等的,事实上大多数时候他们是不平等的.一个源将比另一个源具有更好的噪声特性,这将产生模糊的数据.事实上,如果被选作"参考"的单位最终是一个相对干净的来源,并且你假设你做出了同样的贡献,那么你可能会接受事实上失败的结果,但是你无法知道.
■外部噪声/干扰
除了电路特性,测量假设和随机晶体波动之外,振荡器及其相位噪声行为还受到提供给石英晶体振荡器的功率的很大影响.图1显示了一个带噪声电源的TCXO.可以看到80到1000Hz之间的杂散,幅度约为40dBc.

图1带噪声电源的TCXO

图2显示了用更干净的电源测试的相同TCXO晶振,只剩下两个幅度约为20dBc的杂散.振荡器制造商无法控制客户在其应用中使用的电源,因此试图仅表征相位噪声性能,而不表征电源对振荡器的影响.振荡器制造商试图使用最清洁的电源进行测量.

图2带清洁电源的TCXO

耳旁干扰也可能出现在相位噪声测量中.图3(下图)显示了TCXO从上方运行的清洁电源,但是一台计算机监视器运行在离振荡器和测试设备大约3英尺的地方.图10显示了监视器关闭时的相同测试.同样,图3中的杂散并非来自四脚贴片振荡器,因此我们试图通过在测试期间关闭计算机监视器来消除它们.
这些真实世界的图表(图3,4)显示了消费者和制造商之间的潜在脱节是如何发生的.

图3监视器正在运行的TCXO

图4显示器关闭的TCXO

振荡器制造商只描述石英振荡器的相位噪声性能,并且可能会竭尽全力展示"低"相位噪声.清洁的电源甚至电池被用来减少外来噪音;减轻了附近的干扰源,例如计算机监视器或其他设备.制造商甚至可以建造法拉第笼——一个屏蔽室——来减少外部干扰.许多人使用挡板或缓冲器来减少振荡器周围的气流,以改善热条件并减少相位噪声.
不幸的是,专门设计/购买振荡器的设计工程师可能不知道这些措施已经采取,也可能没有意识到对他们的特定系统或应用的最终影响.振荡器不会独自在屏蔽室中运行.它将在一个更大的组件中,温度梯度和非理想的电源以及附近运行的其他机器或计算机.
当设计工程师查看相位噪声图并假设这是他们系统中的相位噪声图时,可能会有问题.如果设计中没有预留空间,可能会出现严重的问题.
最后,还有两个直接影响相位噪声性能的额外因素,振荡器制造商对此无法控制.振动影响晶振的相位噪声,如下式所示:

其中_是振荡器的g灵敏度,A是振动中g的量,F0是振荡器的频率,Fv是振动的频率.[10]
大多数军事设计师都很清楚这种退化现象,并与制造商合作,了解振荡器在现场振动下的特性.
阻碍相位噪声性能的另一个因素是乘法.许多客户会购买一台兆赫的振荡器,并将其放大到千兆赫范围.这是可以接受的,并且将是一个稳定的振荡器,但是相位噪声会因以下原因而降低:

其中N是乘法因子.
振动和乘法是用户可能对振荡器进行的两个过程,潜在的性能下降应该由振荡器制造商解决.对于设计者来说,了解所有这些变量对时间基础的影响非常重要,并与制造商合作,确保交付满足其真实世界和性能要求的高质量振荡器.
■结论
相位噪声是任何时基的一个非常重要的方面.振荡器制造商试图通过最大化Q值,使用低噪声有源器件和增加石英晶振功率来最小化振荡器中的相位噪声.测试相位噪声的方法直接影响测试结果:低噪声电源或电池可用于降低电源纹波产生的相位噪声;可以消除来自计算机,照明或其他机械的附近干扰.最后,热缓冲器可用于确保测试仅测量振荡器噪声,而不是来自外部源的噪声.
对于使用振荡器作为时基的系统设计工程师来说,了解相位噪声现象并表征其影响至关重要.系统设计人员应与振荡器制造商沟通,以确定振荡器相位噪声对其系统设计和最终真实性能的可能性和影响.
■展望未来
振荡器设计者一直在寻找改善相位噪声性能的方法,并为客户提供更稳定的振荡器.许多降噪方案正在尝试和实施.目前,GreenrayIndustries正在制造一种TCXO,通过在补偿电压上使用闭合滤波,可以在10Hz下实现优于-100dBc的性能.其他有待测试的想法是使用恒温晶振中的晶体滤波器作为超选择性带通滤波器.这应该会降低相位噪声基底,但是实际实施时必须克服几个因素.
对于精度高,低噪声振荡器及其在各种苛刻应用中的关键作用来说,未来确实是光明的.在当代无论是科技方面还是正火热的5G技术,智能化等方面,都是比较火热的行业,并需要有源晶振来提供性能.

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