怎樣定義振蕩器相位噪聲的實(shí)用性?
來源：http://m.cnhxbh.com 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(yōu)勢，常用于要求比較高的產(chǎn)品身上，現(xiàn)在生產(chǎn)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(bǔ)晶振的+1.8V~+3.3V可以通用，可以適用于更多的產(chǎn)品，通過通信類，網(wǎng)絡(luò)類，工業(yè)類，軍用類設(shè)備都是要用到晶體振蕩器的。
現(xiàn)代電子產(chǎn)品使用時(shí)基來進(jìn)行各種應(yīng)用。通訊系統(tǒng)依靠時(shí)間基準(zhǔn)來調(diào)制和解調(diào)數(shù)據(jù)，GPS系統(tǒng)依賴于它們準(zhǔn)確定位，許多其他應(yīng)用程序依靠時(shí)間基礎(chǔ)來管理流程他們系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)。隨著應(yīng)用范圍的擴(kuò)大和頻率的增加，設(shè)計(jì)人員需要時(shí)間基礎(chǔ)穩(wěn)定性更高，噪音更低。因此，振蕩器設(shè)計(jì)人員需要不斷突破極限穩(wěn)定性高，振蕩器設(shè)計(jì)低噪音。
振蕩器設(shè)計(jì)者面臨的主要問題之一是相位噪聲現(xiàn)象。相位噪聲是一個在所有現(xiàn)實(shí)世界的Oscillator和信號發(fā)生器中存在的不期望的實(shí)體。它可能會導(dǎo)致失真或完全丟失傳統(tǒng)接收機(jī)中的輸入信息，以及相位調(diào)制應(yīng)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(chǎn)生影響更高級別的產(chǎn)品被最小化。
時(shí)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(dāng)我們看一個時(shí)鐘時(shí)，我們知道它是什么時(shí)候。但是，我們真的了解時(shí)間嗎？
以及如何定義？與所有測量一樣，時(shí)間的測量具有一定程度的不確定性。在工程應(yīng)用中，我們使用本質(zhì)上不完美的時(shí)基，并為應(yīng)用增加不確定性由他們驅(qū)動。這種不確定性的一個副產(chǎn)品是相位噪聲。存在固有的不穩(wěn)定性在每個有源貼片晶振中，它表現(xiàn)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(guān)系，它表示在給定頻率下噪聲功率與載波功率相差多遠(yuǎn)。
以下內(nèi)容將表明相位噪聲是一個易于管理的問題。振蕩器設(shè)計(jì)師可以盡量減少振蕩器中的相位噪聲，使用振蕩器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以更好地設(shè)計(jì)他們的系統(tǒng)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(yù)期或避免。
時(shí)間基礎(chǔ)
作為工程師，我們習(xí)慣于查看頻率計(jì)數(shù)器并讀取顯示屏來確定顯示內(nèi)容我們經(jīng)營的頻率。但該測量的準(zhǔn)確度是多少？不確定性測量取決于計(jì)數(shù)器用于驅(qū)動其內(nèi)部電路的時(shí)基精度。這個時(shí)間基礎(chǔ)并不完美，因此會扭曲頻率讀數(shù)的結(jié)果。對于那些需要非常精確的頻率測量的應(yīng)用，這個時(shí)基的準(zhǔn)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(shí)間最多人類生產(chǎn)的準(zhǔn)確標(biāo)準(zhǔn)。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(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。NIST（國立研究所對于標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)而言，是美國時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的守護(hù)者。截至2005年NIST標(biāo)準(zhǔn)具有5X10-16秒的不確定性，這意味著它在60年內(nèi)既不會增加也不會損失一秒百萬年[9]。
盡管銫鐘具有準(zhǔn)確性，但它們有幾個缺點(diǎn)使它們不適合商業(yè)化電子產(chǎn)品。銫標(biāo)準(zhǔn)的成本過高，無法將其作為時(shí)間基準(zhǔn)。其次，他們很大。NIST標(biāo)準(zhǔn)填充了房間的很大一部分，雖然較小的銫標(biāo)準(zhǔn)可用，但它們不是便攜式物品。此外，銫標(biāo)準(zhǔn)具有預(yù)熱時(shí)間。保持通電是重要的是，因?yàn)闄?quán)力中斷可能意味著準(zhǔn)確性的下降。最后，銫標(biāo)準(zhǔn)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(yè)電子產(chǎn)品或大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用，其他必須考慮時(shí)間源。銣提供極其精確的頻率計(jì)數(shù)，類似于銫，但它遭受同樣的陷阱。銣標(biāo)準(zhǔn)僅比銫稍微精確，其成本高。它們不是便攜式設(shè)備，必須安裝在便攜式設(shè)備中固定的位置。銣標(biāo)準(zhǔn)物也具有與銫相同的燃料消耗問題。
大多數(shù)消費(fèi)類電子產(chǎn)品的選擇是石英晶體振蕩器。石英通過壓電效應(yīng)。施加在晶體上的電壓使其以非常穩(wěn)定和可預(yù)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(yōu)點(diǎn)：它便宜（與銫和銣相比），它很?。ňw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(jì)時(shí)設(shè)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(qū)動電路。這些裸骨時(shí)鐘價(jià)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(bǔ)晶振）使用補(bǔ)償電壓來校正晶體自然溫度漂移。這是通過傳統(tǒng)的熱敏電阻網(wǎng)絡(luò)或多項(xiàng)式實(shí)現(xiàn)的發(fā)電機(jī)。TCXO在整個溫度范圍內(nèi)具有更嚴(yán)格的穩(wěn)定性（可以獲得+/-0.25ppm），并且很?。?.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(shù)據(jù)來校正振蕩器的頻率。這些振蕩器可以在整個溫度范圍內(nèi)達(dá)到+/-0.1ppm的穩(wěn)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(yùn)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(wěn)定性。通過加熱在內(nèi)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(nèi)的穩(wěn)定性是可以實(shí)現(xiàn)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(chǎn)生如公式1所示的電壓：
其中Vo是幅度，fo是頻率，t是時(shí)間。然而，現(xiàn)實(shí)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(shí)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(wěn)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(nèi)。長期漂移，也稱為衰老，是一種自然現(xiàn)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(shí)間，A，B和fo是由最小二乘擬合確定的常數(shù)（按照MIL-PRF-55310D）[7]。
如圖1所示，石英的老化特性是隨時(shí)間減慢的函數(shù)。這個意味著振蕩器的頻率漂移會隨著時(shí)間的推移而減小。這是一個理想的選擇影響長期表現(xiàn)。振蕩器會漂移，但變化率會變化慢，振蕩器效果會變得更穩(wěn)定。短期穩(wěn)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(shí)間指定的。例如，一個20ms的門可以選擇時(shí)間并采集100個樣本并應(yīng)用于以下公式：
其中f（i）-f（i-1）是連續(xù)頻率之間的差測量（MIL-PRF-55310D）。[7]
結(jié)果讓我們感受到振蕩器在給定的門控時(shí)間讀取讀數(shù)的穩(wěn)定性。通過延長有源晶振的Allan方差減小的門時(shí)間，表明它在更長時(shí)間內(nèi)更穩(wěn)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(shí)頻率不是恒定的-它關(guān)于標(biāo)稱頻率略有不同，在任何給定點(diǎn)產(chǎn)生頻率的不確定性時(shí)間。該頻率變化可視為波形邊緣與理想值的時(shí)間變化標(biāo)稱頻率邊緣。邊緣的這種時(shí)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(shí)域表示。[1]
抖動可以在時(shí)域中測量，并以峰值到峰值時(shí)間變化表示邊緣。然而，這種方法在某些應(yīng)用中可能不是很有用，因?yàn)樗鼈兊淖兓吘墎碜哉麄€頻帶，并夸大了它的大小抖動。大多數(shù)現(xiàn)實(shí)世界的應(yīng)用程序?qū)⒃谝欢l率范圍內(nèi)運(yùn)行只需要在該頻段內(nèi)測量抖動效應(yīng)。有效地查看和測量抖動在特定頻段，必須進(jìn)行頻域轉(zhuǎn)換。
盡管幾十年前就開始研發(fā)了，可目前來說低抖動，低相位噪聲石英晶振仍然處于發(fā)展期，但這個模塊具有非常好的前景，擁有優(yōu)越的實(shí)用性。它的精度性高，穩(wěn)定性強(qiáng)，性能卓越，可靠性高，是Oscillator系列中，比較高端的一種性能。
現(xiàn)代電子產(chǎn)品使用時(shí)基來進(jìn)行各種應(yīng)用。通訊系統(tǒng)依靠時(shí)間基準(zhǔn)來調(diào)制和解調(diào)數(shù)據(jù)，GPS系統(tǒng)依賴于它們準(zhǔn)確定位，許多其他應(yīng)用程序依靠時(shí)間基礎(chǔ)來管理流程他們系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)。隨著應(yīng)用范圍的擴(kuò)大和頻率的增加，設(shè)計(jì)人員需要時(shí)間基礎(chǔ)穩(wěn)定性更高，噪音更低。因此，振蕩器設(shè)計(jì)人員需要不斷突破極限穩(wěn)定性高，振蕩器設(shè)計(jì)低噪音。
時(shí)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(dāng)我們看一個時(shí)鐘時(shí)，我們知道它是什么時(shí)候。但是，我們真的了解時(shí)間嗎？
以及如何定義？與所有測量一樣，時(shí)間的測量具有一定程度的不確定性。在工程應(yīng)用中，我們使用本質(zhì)上不完美的時(shí)基，并為應(yīng)用增加不確定性由他們驅(qū)動。這種不確定性的一個副產(chǎn)品是相位噪聲。存在固有的不穩(wěn)定性在每個有源貼片晶振中，它表現(xiàn)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(guān)系，它表示在給定頻率下噪聲功率與載波功率相差多遠(yuǎn)。
以下內(nèi)容將表明相位噪聲是一個易于管理的問題。振蕩器設(shè)計(jì)師可以盡量減少振蕩器中的相位噪聲，使用振蕩器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以更好地設(shè)計(jì)他們的系統(tǒng)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(yù)期或避免。
時(shí)間基礎(chǔ)
作為工程師，我們習(xí)慣于查看頻率計(jì)數(shù)器并讀取顯示屏來確定顯示內(nèi)容我們經(jīng)營的頻率。但該測量的準(zhǔn)確度是多少？不確定性測量取決于計(jì)數(shù)器用于驅(qū)動其內(nèi)部電路的時(shí)基精度。這個時(shí)間基礎(chǔ)并不完美，因此會扭曲頻率讀數(shù)的結(jié)果。對于那些需要非常精確的頻率測量的應(yīng)用，這個時(shí)基的準(zhǔn)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(shí)間最多人類生產(chǎn)的準(zhǔn)確標(biāo)準(zhǔn)。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(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。NIST（國立研究所對于標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)而言，是美國時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的守護(hù)者。截至2005年NIST標(biāo)準(zhǔn)具有5X10-16秒的不確定性，這意味著它在60年內(nèi)既不會增加也不會損失一秒百萬年[9]。
盡管銫鐘具有準(zhǔn)確性，但它們有幾個缺點(diǎn)使它們不適合商業(yè)化電子產(chǎn)品。銫標(biāo)準(zhǔn)的成本過高，無法將其作為時(shí)間基準(zhǔn)。其次，他們很大。NIST標(biāo)準(zhǔn)填充了房間的很大一部分，雖然較小的銫標(biāo)準(zhǔn)可用，但它們不是便攜式物品。此外，銫標(biāo)準(zhǔn)具有預(yù)熱時(shí)間。保持通電是重要的是，因?yàn)闄?quán)力中斷可能意味著準(zhǔn)確性的下降。最后，銫標(biāo)準(zhǔn)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(yè)電子產(chǎn)品或大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用，其他必須考慮時(shí)間源。銣提供極其精確的頻率計(jì)數(shù)，類似于銫，但它遭受同樣的陷阱。銣標(biāo)準(zhǔn)僅比銫稍微精確，其成本高。它們不是便攜式設(shè)備，必須安裝在便攜式設(shè)備中固定的位置。銣標(biāo)準(zhǔn)物也具有與銫相同的燃料消耗問題。
大多數(shù)消費(fèi)類電子產(chǎn)品的選擇是石英晶體振蕩器。石英通過壓電效應(yīng)。施加在晶體上的電壓使其以非常穩(wěn)定和可預(yù)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(yōu)點(diǎn)：它便宜（與銫和銣相比），它很?。ňw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(jì)時(shí)設(shè)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(qū)動電路。這些裸骨時(shí)鐘價(jià)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(bǔ)晶振）使用補(bǔ)償電壓來校正晶體自然溫度漂移。這是通過傳統(tǒng)的熱敏電阻網(wǎng)絡(luò)或多項(xiàng)式實(shí)現(xiàn)的發(fā)電機(jī)。TCXO在整個溫度范圍內(nèi)具有更嚴(yán)格的穩(wěn)定性（可以獲得+/-0.25ppm），并且很?。?.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(shù)據(jù)來校正振蕩器的頻率。這些振蕩器可以在整個溫度范圍內(nèi)達(dá)到+/-0.1ppm的穩(wěn)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(yùn)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(wěn)定性。通過加熱在內(nèi)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(nèi)的穩(wěn)定性是可以實(shí)現(xiàn)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(chǎn)生如公式1所示的電壓：
其中Vo是幅度，fo是頻率，t是時(shí)間。然而，現(xiàn)實(shí)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(shí)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(wěn)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(nèi)。長期漂移，也稱為衰老，是一種自然現(xiàn)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(shí)間，A，B和fo是由最小二乘擬合確定的常數(shù)（按照MIL-PRF-55310D）[7]。
其中f（i）-f（i-1）是連續(xù)頻率之間的差測量（MIL-PRF-55310D）。[7]
結(jié)果讓我們感受到振蕩器在給定的門控時(shí)間讀取讀數(shù)的穩(wěn)定性。通過延長有源晶振的Allan方差減小的門時(shí)間，表明它在更長時(shí)間內(nèi)更穩(wěn)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(shí)頻率不是恒定的-它關(guān)于標(biāo)稱頻率略有不同，在任何給定點(diǎn)產(chǎn)生頻率的不確定性時(shí)間。該頻率變化可視為波形邊緣與理想值的時(shí)間變化標(biāo)稱頻率邊緣。邊緣的這種時(shí)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(shí)域中測量，并以峰值到峰值時(shí)間變化表示邊緣。然而，這種方法在某些應(yīng)用中可能不是很有用，因?yàn)樗鼈兊淖兓吘墎碜哉麄€頻帶，并夸大了它的大小抖動。大多數(shù)現(xiàn)實(shí)世界的應(yīng)用程序?qū)⒃谝欢l率范圍內(nèi)運(yùn)行只需要在該頻段內(nèi)測量抖動效應(yīng)。有效地查看和測量抖動在特定頻段，必須進(jìn)行頻域轉(zhuǎn)換。
盡管幾十年前就開始研發(fā)了，可目前來說低抖動，低相位噪聲石英晶振仍然處于發(fā)展期，但這個模塊具有非常好的前景，擁有優(yōu)越的實(shí)用性。它的精度性高，穩(wěn)定性強(qiáng)，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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