怎樣定義振蕩器相位噪聲的實用性?
來源：http://www.benpai.com.cn 作者：金洛鑫電子 2019年02月22
石英晶體振蕩器是比較常見的一種電子元器件，屬于頻率控制元件類目，比普通的石英晶體具有更大更多的優勢，常用于要求比較高的產品身上，現在生產的振蕩器基本上都是低電壓的，電壓值范圍在+1.8V~+5.0V之間，+1.8V和+3.3V是最常用的。值得一提的是，26.000MHz溫補晶振的+1.8V~+3.3V可以通用，可以適用于更多的產品，通過通信類，網絡類，工業類，軍用類設備都是要用到晶體振蕩器的。
現代電子產品使用時基來進行各種應用。通訊系統依靠時間基準來調制和解調數據，GPS系統依賴于它們準確定位，許多其他應用程序依靠時間基礎來管理流程他們系統中的數據。隨著應用范圍的擴大和頻率的增加，設計人員需要時間基礎穩定性更高，噪音更低。因此，振蕩器設計人員需要不斷突破極限穩定性高，振蕩器設計低噪音。
振蕩器設計者面臨的主要問題之一是相位噪聲現象。相位噪聲是一個在所有現實世界的Oscillator和信號發生器中存在的不期望的實體。它可能會導致失真或完全丟失傳統接收機中的輸入信息，以及相位調制應用中的高誤碼率。因此，有必要理解和量化相位噪聲以使其產生影響更高級別的產品被最小化。
時間是人類天生就把握作為生活功能的一個概念。它將我們的世界定義為幾天，幾個月和年。當我們看一個時鐘時，我們知道它是什么時候。但是，我們真的了解時間嗎？
以及如何定義？與所有測量一樣，時間的測量具有一定程度的不確定性。在工程應用中，我們使用本質上不完美的時基，并為應用增加不確定性由他們驅動。這種不確定性的一個副產品是相位噪聲。存在固有的不穩定性在每個有源貼片晶振中，它表現為圍繞振蕩器頻率的一系列噪聲。這個噪音通常從載波測量到距離載波1MHz的頻帶。它被描繪成一個圖表dBc/Hz與f（Hz）的關系，它表示在給定頻率下噪聲功率與載波功率相差多遠。
以下內容將表明相位噪聲是一個易于管理的問題。振蕩器設計師可以盡量減少振蕩器中的相位噪聲，使用振蕩器的系統設計人員可以更好地設計他們的系統選擇正確的振蕩器。外部噪聲和干擾會降低相位噪聲振蕩器的性能，工程師需要了解這些因素，以便它們的效果可以預期或避免。
時間基礎
作為工程師，我們習慣于查看頻率計數器并讀取顯示屏來確定顯示內容我們經營的頻率。但該測量的準確度是多少？不確定性測量取決于計數器用于驅動其內部電路的時基精度。這個時間基礎并不完美，因此會扭曲頻率讀數的結果。對于那些需要非常精確的頻率測量的應用，這個時基的準確性是最重要的。
與所有其他測量人員一樣，Tme具有不確定性。但是，時間最多人類生產的準確標準。第二個定義為共振頻率銫133（Cs-133）為9,192,631,770赫茲[8]。
因此，通過測量銫的振動，我們有一個時間標準。NIST（國立研究所對于標準和技術而言，是美國時間標準的守護者。截至2005年NIST標準具有5X10-16秒的不確定性，這意味著它在60年內既不會增加也不會損失一秒百萬年[9]。
盡管銫鐘具有準確性，但它們有幾個缺點使它們不適合商業化電子產品。銫標準的成本過高，無法將其作為時間基準。其次，他們很大。NIST標準填充了房間的很大一部分，雖然較小的銫標準可用，但它們不是便攜式物品。此外，銫標準具有預熱時間。保持通電是重要的是，因為權力中斷可能意味著準確性的下降。最后，銫標準使用燃料-銫自然耗盡，使裝置有效“脫氣”。
由于銫不能有效地用于商業電子產品或大多數實驗室應用，其他必須考慮時間源。銣提供極其精確的頻率計數，類似于銫，但它遭受同樣的陷阱。銣標準僅比銫稍微精確，其成本高。它們不是便攜式設備，必須安裝在便攜式設備中固定的位置。銣標準物也具有與銫相同的燃料消耗問題。
大多數消費類電子產品的選擇是石英晶體振蕩器。石英通過壓電效應。施加在晶體上的電壓使其以非常穩定和可預測的方式振動辦法。通過切割和成形石英，可以獲得所需的振蕩頻率。石英有許多優點：它便宜（與銫和銣相比），它很小（晶體可以是在包裝尺寸小于3.2mm×2.5mm的情況下獲得，并且它具有高Q（對于較大的坯料而言>500K）。這些幾十年來，特性使得石英成為計時設備的選擇。
石英晶體振蕩器
晶體振蕩器有多種類型，形狀和尺寸。XO（晶體振蕩器）是石英晶體驅動電路。這些裸骨時鐘價格便宜且體積小，但晶體的精度有限將在頻率上以大約+/-30ppm的頻率漂移。TCXO（溫補晶振）使用補償電壓來校正晶體自然溫度漂移。這是通過傳統的熱敏電阻網絡或多項式實現的發電機。TCXO在整個溫度范圍內具有更嚴格的穩定性（可以獲得+/-0.25ppm），并且很小（2.0mmx2.5mm可用），功耗低（在某些情況下為2mA）。
MCXO（微處理器控制晶體振蕩器）使用微處理器來校正晶體自然溫度漂移，通過檢測操作溫度并使用該數據來校正振蕩器的頻率。這些振蕩器可以在整個溫度范圍內達到+/-0.1ppm的穩定性，但具有占地面積稍大，消耗更多功率，并且由于噪聲特性而降低噪聲特性微處理器在振蕩器中運行。
OCXO（恒溫石英晶體振蕩器）和DOCXO（雙爐控制晶體振蕩器）提供石英晶體振蕩器必須提供的最大穩定性。通過加熱在內部電路中，晶體保持在幾乎恒定的溫度，幾乎消除了晶體的自然溫度漂移。零件在10-10溫度范圍內的穩定性是可以實現的，但是在封裝尺寸的折衷下（它們的尺寸至少為1平方英寸），以及功耗（可能超過1A）。
盡管具有高Q值，但石英晶體振蕩器并不完美。理想情況下，正弦振蕩器會產生如公式1所示的電壓：
其中Vo是幅度，fo是頻率，t是時間。然而，現實世界的OSC振蕩器存在一些幅度波動和相位波動它們的行為與公式2[4]相同。
其中Vo是幅度，fo是頻率，t是時間，（t）是幅度波動，（t）是相位波動。振蕩器的頻率受幾個因素的影響：溫度，長期漂移和短期不穩定。石英對溫度非常敏感，頻率通常在+/-30ppm之間漂移在晶體的溫度范圍內。長期漂移，也稱為衰老，是一種自然現象石英，很好理解。老化特征定義為：
其中t是以天為單位的時間，A，B和fo是由最小二乘擬合確定的常數（按照MIL-PRF-55310D）[7]。
如圖1所示，石英的老化特性是隨時間減慢的函數。這個意味著振蕩器的頻率漂移會隨著時間的推移而減小。這是一個理想的選擇影響長期表現。振蕩器會漂移，但變化率會變化慢，振蕩器效果會變得更穩定。短期穩定性或艾倫方差（AVAR）是對短期頻率變化的測量振蕩器。通常，AVAR是相對于特定的門時間指定的。例如，一個20ms的門可以選擇時間并采集100個樣本并應用于以下公式：
其中f（i）-f（i-1）是連續頻率之間的差測量（MIL-PRF-55310D）。[7]
結果讓我們感受到振蕩器在給定的門控時間讀取讀數的穩定性。通過延長有源晶振的Allan方差減小的門時間，表明它在更長時間內更穩定平均周期。
抖動
從這個測量中我們可以看出振蕩器的瞬時頻率不是恒定的-它關于標稱頻率略有不同，在任何給定點產生頻率的不確定性時間。該頻率變化可視為波形邊緣與理想值的時間變化標稱頻率邊緣。邊緣的這種時間變化稱為抖動。圖2[1]說明了抖動對方波的影響。
圖2：抖動的時域表示。[1]
抖動可以在時域中測量，并以峰值到峰值時間變化表示邊緣。然而，這種方法在某些應用中可能不是很有用，因為它們的變化邊緣來自整個頻帶，并夸大了它的大小抖動。大多數現實世界的應用程序將在一定頻率范圍內運行只需要在該頻段內測量抖動效應。有效地查看和測量抖動在特定頻段，必須進行頻域轉換。
盡管幾十年前就開始研發了，可目前來說低抖動，低相位噪聲石英晶振仍然處于發展期，但這個模塊具有非常好的前景，擁有優越的實用性。它的精度性高，穩定性強，性能卓越，可靠性高，是Oscillator系列中，比較高端的一種性能。
現代電子產品使用時基來進行各種應用。通訊系統依靠時間基準來調制和解調數據，GPS系統依賴于它們準確定位，許多其他應用程序依靠時間基礎來管理流程他們系統中的數據。隨著應用范圍的擴大和頻率的增加，設計人員需要時間基礎穩定性更高，噪音更低。因此，振蕩器設計人員需要不斷突破極限穩定性高，振蕩器設計低噪音。
時間是人類天生就把握作為生活功能的一個概念。它將我們的世界定義為幾天，幾個月和年。當我們看一個時鐘時，我們知道它是什么時候。但是，我們真的了解時間嗎？
以及如何定義？與所有測量一樣，時間的測量具有一定程度的不確定性。在工程應用中，我們使用本質上不完美的時基，并為應用增加不確定性由他們驅動。這種不確定性的一個副產品是相位噪聲。存在固有的不穩定性在每個有源貼片晶振中，它表現為圍繞振蕩器頻率的一系列噪聲。這個噪音通常從載波測量到距離載波1MHz的頻帶。它被描繪成一個圖表dBc/Hz與f（Hz）的關系，它表示在給定頻率下噪聲功率與載波功率相差多遠。
以下內容將表明相位噪聲是一個易于管理的問題。振蕩器設計師可以盡量減少振蕩器中的相位噪聲，使用振蕩器的系統設計人員可以更好地設計他們的系統選擇正確的振蕩器。外部噪聲和干擾會降低相位噪聲振蕩器的性能，工程師需要了解這些因素，以便它們的效果可以預期或避免。
時間基礎
作為工程師，我們習慣于查看頻率計數器并讀取顯示屏來確定顯示內容我們經營的頻率。但該測量的準確度是多少？不確定性測量取決于計數器用于驅動其內部電路的時基精度。這個時間基礎并不完美，因此會扭曲頻率讀數的結果。對于那些需要非常精確的頻率測量的應用，這個時基的準確性是最重要的。
與所有其他測量人員一樣，Tme具有不確定性。但是，時間最多人類生產的準確標準。第二個定義為共振頻率銫133（Cs-133）為9,192,631,770赫茲[8]。
因此，通過測量銫的振動，我們有一個時間標準。NIST（國立研究所對于標準和技術而言，是美國時間標準的守護者。截至2005年NIST標準具有5X10-16秒的不確定性，這意味著它在60年內既不會增加也不會損失一秒百萬年[9]。
盡管銫鐘具有準確性，但它們有幾個缺點使它們不適合商業化電子產品。銫標準的成本過高，無法將其作為時間基準。其次，他們很大。NIST標準填充了房間的很大一部分，雖然較小的銫標準可用，但它們不是便攜式物品。此外，銫標準具有預熱時間。保持通電是重要的是，因為權力中斷可能意味著準確性的下降。最后，銫標準使用燃料-銫自然耗盡，使裝置有效“脫氣”。
由于銫不能有效地用于商業電子產品或大多數實驗室應用，其他必須考慮時間源。銣提供極其精確的頻率計數，類似于銫，但它遭受同樣的陷阱。銣標準僅比銫稍微精確，其成本高。它們不是便攜式設備，必須安裝在便攜式設備中固定的位置。銣標準物也具有與銫相同的燃料消耗問題。
大多數消費類電子產品的選擇是石英晶體振蕩器。石英通過壓電效應。施加在晶體上的電壓使其以非常穩定和可預測的方式振動辦法。通過切割和成形石英，可以獲得所需的振蕩頻率。石英有許多優點：它便宜（與銫和銣相比），它很小（晶體可以是在包裝尺寸小于3.2mm×2.5mm的情況下獲得，并且它具有高Q（對于較大的坯料而言>500K）。這些幾十年來，特性使得石英成為計時設備的選擇。
石英晶體振蕩器
晶體振蕩器有多種類型，形狀和尺寸。XO（晶體振蕩器）是石英晶體驅動電路。這些裸骨時鐘價格便宜且體積小，但晶體的精度有限將在頻率上以大約+/-30ppm的頻率漂移。TCXO（溫補晶振）使用補償電壓來校正晶體自然溫度漂移。這是通過傳統的熱敏電阻網絡或多項式實現的發電機。TCXO在整個溫度范圍內具有更嚴格的穩定性（可以獲得+/-0.25ppm），并且很小（2.0mmx2.5mm可用），功耗低（在某些情況下為2mA）。
MCXO（微處理器控制晶體振蕩器）使用微處理器來校正晶體自然溫度漂移，通過檢測操作溫度并使用該數據來校正振蕩器的頻率。這些振蕩器可以在整個溫度范圍內達到+/-0.1ppm的穩定性，但具有占地面積稍大，消耗更多功率，并且由于噪聲特性而降低噪聲特性微處理器在振蕩器中運行。
OCXO（恒溫石英晶體振蕩器）和DOCXO（雙爐控制晶體振蕩器）提供石英晶體振蕩器必須提供的最大穩定性。通過加熱在內部電路中，晶體保持在幾乎恒定的溫度，幾乎消除了晶體的自然溫度漂移。零件在10-10溫度范圍內的穩定性是可以實現的，但是在封裝尺寸的折衷下（它們的尺寸至少為1平方英寸），以及功耗（可能超過1A）。
盡管具有高Q值，但石英晶體振蕩器并不完美。理想情況下，正弦振蕩器會產生如公式1所示的電壓：
其中Vo是幅度，fo是頻率，t是時間。然而，現實世界的OSC振蕩器存在一些幅度波動和相位波動它們的行為與公式2[4]相同。
其中Vo是幅度，fo是頻率，t是時間，（t）是幅度波動，（t）是相位波動。振蕩器的頻率受幾個因素的影響：溫度，長期漂移和短期不穩定。石英對溫度非常敏感，頻率通常在+/-30ppm之間漂移在晶體的溫度范圍內。長期漂移，也稱為衰老，是一種自然現象石英，很好理解。老化特征定義為：
其中t是以天為單位的時間，A，B和fo是由最小二乘擬合確定的常數（按照MIL-PRF-55310D）[7]。
其中f（i）-f（i-1）是連續頻率之間的差測量（MIL-PRF-55310D）。[7]
結果讓我們感受到振蕩器在給定的門控時間讀取讀數的穩定性。通過延長有源晶振的Allan方差減小的門時間，表明它在更長時間內更穩定平均周期。
抖動
從這個測量中我們可以看出振蕩器的瞬時頻率不是恒定的-它關于標稱頻率略有不同，在任何給定點產生頻率的不確定性時間。該頻率變化可視為波形邊緣與理想值的時間變化標稱頻率邊緣。邊緣的這種時間變化稱為抖動。圖2[1]說明了抖動對方波的影響。
抖動可以在時域中測量，并以峰值到峰值時間變化表示邊緣。然而，這種方法在某些應用中可能不是很有用，因為它們的變化邊緣來自整個頻帶，并夸大了它的大小抖動。大多數現實世界的應用程序將在一定頻率范圍內運行只需要在該頻段內測量抖動效應。有效地查看和測量抖動在特定頻段，必須進行頻域轉換。
盡管幾十年前就開始研發了，可目前來說低抖動，低相位噪聲石英晶振仍然處于發展期，但這個模塊具有非常好的前景，擁有優越的實用性。它的精度性高，穩定性強，性能卓越，可靠性高，是Oscillator系列中，比較高端的一種性能。
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