一般石英晶體振蕩器打上低相器的”標簽”,就屬于比較高端的頻率元件,因為降低噪聲和功耗,可以使產品的性能變得更高,損耗減少,可以為用戶節省成本.那么要如何確定Crystal Oscillator的相位噪聲呢?可以通過一些專業的儀器和技術測量,例如頻率鑒別器,頻譜分析儀,示波器等工具.在早之前低相器振蕩器因為成本較高,因此沒有被發展起來,現今國外的晶振廠家已實現低成本設計和制造.金洛鑫電子整理了低成本Crystal Oscillator相位噪聲測量資料,并將這份實用筆記分享出來.

低噪聲晶體振蕩器可以表現出極低的近距離相位噪聲,無法使用頻譜分析儀或頻率鑒別器直接測量.最常見的測量技術將被測振蕩器的相位與具有相似或更高噪聲性能的參考振蕩器進行比較.通過將兩個晶振的相對相位保持為正交,普通PLL可以使測量更容易,這通常是將小相位變化轉換為電壓變化的最佳點.雖然PLL一直在努力消除這些相位變化,但時間常數可以設置得足夠長,以保持感興趣的最慢相位變化.下面顯示了一個典型的框圖,其中被測振蕩器和參考振蕩器直接連接到雙平衡二極管混頻器.混頻器輸出通過低通濾波器連接,以阻止RF頻率到鎖相放大器.選擇電阻器和電容器以使環路帶寬遠低于要測量的最低頻率.相位斜率為每弧度伏特,調諧靈敏度為每秒弧度-伏特,即每伏特2ПHz.

低通濾波器應該去除無線電頻率,但它不應該在環路帶寬附近具有泫降頻率,否則環路可能變得不穩定,并且它應該足夠寬以使噪聲通過所關注的最高頻率.噪聲輸出通常發送到低噪聲放大器,然后是音頻頻譜分析儀,波形分析儀或濾波器.如果分析儀本底噪聲足夠低,則可能不需要低噪聲放大器.

低噪聲晶體振蕩器可以表現出極低的近距離相位噪聲,無法使用頻譜分析儀或頻率鑒別器直接測量.最常見的測量技術將被測振蕩器的相位與具有相似或更高噪聲性能的參考振蕩器進行比較.通過將兩個振蕩器的相對相位保持為正交,普通PLL可以使測量更容易,這通常是將小相位變化轉換為電壓變化的最佳點.雖然PLL一直在努力消除這些相位變化,但時間常數可以設置得足夠長,以保持感興趣的最慢相位變化.下面顯示了一個典型的框圖,其中被測振蕩器和參考振蕩器直接連接到雙平衡二極管混頻器.混頻器輸出通過低通濾波器連接,以阻止RF頻率到鎖相放大器.選擇電阻器和電容器以使環路帶寬遠低于要測量的最低頻率.相位斜率為每弧度伏特,調諧靈敏度為每秒弧度-伏特,即每伏特2ПHz.

低通濾波器應該去除無線電頻率,但它不應該在環路帶寬附近具有泫降頻率,否則環路可能變得不穩定,并且它應該足夠寬以使噪聲通過所關注的最高頻率.噪聲輸出通常發送到低噪聲放大器,然后是音頻頻譜分析儀,波形分析儀或濾波器.如果分析儀本底噪聲足夠低,則可能不需要低噪聲放大器.

上述方案外觀簡單,但有許多選擇,并發癥和陷阱.

1.首先,混頻器將相位變化轉換為電壓變化,其轉換靈敏度必須確定.

確定轉換因子的一種方法是斷開電氣調諧并調節振蕩器頻率,直到使用示波器在混頻器輸出端觀察到拍音.可以以伏特每弧度確定過零點的斜率,記住一個完整的拍音符對應于2π弧度.陷阱:連接到PLL的放大器可能被拍音過驅動并導致測量錯誤.如果它們斷開連接,則混頻器的負載會發生變化,這可能會改變相位斜率,尤其是在混頻器輸出端沒有使用低阻抗負載時(為了獲得更好的相位斜率).可以在不改變其輸入特性的情況下切換到較低增益的放大器是有用的.而且,正相和負相位斜率可以不同,并且有必要確定當環被鎖定時使用哪個斜率.不同的正斜率和負斜率可以指示”注射鎖定”由石英振蕩器隔離不足引起的緩沖放大器甚至倍頻器通常會減少或消除注入鎖定.僅在一個頻率上檢查相位斜率,并且可能存在非平坦的頻率響應,尤其是如果使用異常混頻器電路來增強相位斜率.當只測量近距離噪聲或本底噪聲沒有超出測量極限時,最好用50歐姆終止混頻器輸出.

確定斜率的另一種技術是仔細確定其中一個振蕩器的電調諧靈敏度,并應用音頻信號以產生精確的頻率調制.振蕩器的電調諧網絡必須具有足夠的帶寬以不滾降調制信號,并且如果移動DC點則必須考慮調諧非線性.將PLL調諧電壓連接到O.U.T可能是有利的.因此,可以利用固定的DC偏壓將調制應用于參考振蕩器電調諧.要測量斜率,請鎖定PLL并以低頻率(在振蕩器的調諧帶寬內)應用小音頻音調,并且小到足以不使低噪聲放大器過驅動.由Xrad=Vmod(伏特)x調諧靈敏度(Hz/伏特)/音頻(Hz)計算得到的弧度調制水平.測量分析儀上的信號高度,該測量值與計算的弧度值之比為相位斜率.一些分析儀使用可變測量帶寬,然后將噪聲測量標準化為1Hz.在測量相位斜率或其他非隨機信號時,請記住關閉此帶寬歸一化(伏特每根-Hz).您還可以使用連接到低噪聲放大器輸出的示波器測量校準調制.

2.PLL產生的噪聲可以覆蓋貼片振蕩器的噪聲.使用較低值的電阻和低噪聲運算放大器.

3.PLL中的低阻尼因子會產生噪聲"凸起",這會夸大環路帶寬頻率附近的噪聲.

4.大信號,線路相關頻率和大幅度低頻噪聲可能導致放大器過載,從而導致錯誤計數

5.接地上的音頻噪聲可能會進入低噪聲音頻放大器并導致錯誤的高讀數.分流爐電流和其他電源電流直接返回電源,而不是通過信號同軸電纜.

測量相位噪聲的簡化程序如下:

●測量相位斜率.

●連接電氣調諧和PLL以及低噪聲放大器.重新調整OSC石英貼片振蕩器頻率,以便在調諧范圍中間附近調諧電壓.LPF輸出應接受零伏.

●測量低噪聲放大器輸出端的音頻頻譜

以下是典型測量和所需計算的示例:

假設一個9Hz帶寬的波分析儀在1KHz時測得17uVrms,而混頻器的相位斜率為0.8伏/弧度.還假設低噪聲放大器的增益為60dB.首先,將17uV除以0.8伏/弧度,將電壓轉換為弧度.現在除以測量帶寬的平方根(sqrt(9)=3)以歸一化到1HZ帶寬.現在計算對數(基數10)并乘以20.減去放大器增益(60dB),如果假設振蕩對測量產生相同的噪聲,則減去3dB,然后減去3dB以校正測量結果實際上是雙邊帶:

L(f)=20log(17×10-6/(0.8×3))-60-3-3=169dBc.

使用拍音技術測量相位斜率:

斷開電氣調諧和低噪聲放大器.將示波器連接到LPF輸出.示波器輸入和觸發應該是直流耦合!將一個進口OSC晶體振蕩器去掉,直到一個完整周期以相當慢的掃描速度填充屏幕.將掃描速度提高精確系數100.全屏現在為0.02pi弧度.調整觸發器(而不是垂直位置)!以測量跡線在過零電壓時的斜率.如果跡線是彎曲的,則嘗試估計是最適合零交叉處曲線的線.例如,如果跡線(或最佳直線)跨越50mV,則相位斜率為.05/02pi=0.8伏/弧度.