随着信息量的增大,基准时钟信号在高速化的同时,也要求低噪音化.例如,数字无线通信的调制方式的多值化,车载毫米波雷达等的高分辨率的必要性,以及数字音频在DA转换中追求更高的原音再现性等,在很多应用程序中都要求相位噪声和抖动性能等噪声性能优异的高品质时钟信号源.有源晶振利用它的水晶振荡器,由于其出色的频率稳定性,作为高品质的时钟信号源被许多电子设备所使用.除了频率稳定性,温度特性和老化特性等长期或静态稳定性外,石英振荡器具有的高Q值还具有以相位噪声和抖动性能为代表的短期稳定性.
(1)相位噪声和相位抖动
相位噪声表示相位波动的功率谱密度,是表示信号纯度的尺度.定距中心频率
位置(偏移频率)上的频率分量表示,值越小,噪声分量越少的信号越好,通常是由载波功率标准化的单频带附近的噪声表示.
图1是将具有相位噪声的信号波形V(t)表示为理想正弦波的相位项加上相位变化皋(t)的形式.相位噪声和相位抖动是在频域和时域中获得的相位变化皋(t).

相位噪声是在相位变化皋(t)的频域中表现出来的,由皋(t)的功率谱密度S皋定义.在实际应用中,单侧频带SSB(单声道)相位噪声L(f)通常用于表示载波信号相对于总功率的比率,即相对于载波频率的偏移量,以dBc/Hz表示.

相位抖动是用时间轴表示相位变动的噪声指标,可以说是皋(t)本身.相位抖动的RMS值是皋(t)的平方平均值

框中选择动画序列要重复的次数.但是,由于在时域中很难高精度地测量(ti),因此通常使用测量相位噪声并用以下方法换算成相位抖动的方法.

相位变动的功率谱密度S皋与单侧频带评价的SSB相位噪声L(f)之间近似中所述修改相应参数的值.此时,相位抖动是通过在指定的偏移带宽区间内对相位噪声S皋的测量值进行积分而得到的.

图7:根据SSB相位噪声计算相位抖动

(2)为了得到噪音性能优良的时钟信号
石英晶体振荡器的相位噪声主要取决于石英振荡器的Q值和信号电平,以及振荡电路的噪声性能.为了改善相位噪声的载波频率附近的相位噪声,水晶振子的Q值尤为重要.
信号电平越高,相位噪声电平就越低,与偏移频率无关.虽然系统可以通过在可能的范围内设置较高的信号电平来降低相位噪声,但可以施加到晶体振子的激励电平是有限的.激励水平过大的话,就会产生不必要的振动模式,有可能导致振荡状态的异常.
过调可以提供较高的Q值,并且在偏移附近有效,但需要注意的是,由于晶体和振荡电路的电阻损失较大,或者在较高激发电平下操作会导致频率变化较大,从而降低信号纯度.
另外,功率越大,晶振子的非线性引起的频率变化就越大,有源晶振因此过大激发电平的操作也是相位噪声恶化的主要原因.选择具有优异噪声性能的半导体器件非常重要.闪烁噪声影响偏移量接近载波附近10kHz左右的中频,而热噪声在所有偏移量范围内均匀地影响信号电平.
为了得到良好的相位噪音.
1.确保振荡电路的Q值
晶体振子的Q值越高,振荡电路的电阻损失越小,振荡环的Q值就越高.
2.低噪声设备
噪声指数NF,闪烁角,以减少半导体产生的噪声,例如热噪声,快照噪声和闪烁噪声请选择低频率设备.
3.PLL电路的倍频会导致相位噪声降低.
4.在可接受的范围内增加振荡电路的激励电平.
5.由于噪声特性是信号电平与噪声功率之间的相对值,因此信号电平越高越有利.但是,必须在平坦区域中使用石英振荡器的激发电平特性.
6.过调可提供较高的Q值,并且在偏移附近有效.但是,需要注意的是,由于石英晶振和振荡电路的电阻损失较大,或者在高激励电平下工作时,频率变化会导致相位噪声降低.
7.如有必要,请将旁路电容器配置在电源,GND端子上,以最小距离抑制电源噪声.

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有源晶振的相位噪声取决于Q值和信号电平

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