了解百利晶振相位噪聲的終極指南

在許多高端通信應用中，通過消除相位噪聲來保持電子射頻電路中的強頻率穩(wěn)定性非常重要。對于雷達系統(tǒng)中的精確定位和其他通信系統(tǒng)中的頻譜純度尤其如此。

讓我們深入了解相位噪聲和抖動的確切含義。這將幫助您更好地了解為什么降低系統(tǒng)的相位噪聲很重要。

什么是相位噪聲？

相位噪聲在波形的頻域中表示，由相位（頻率）的快速、短期、隨機波動組成。這是由時域不穩(wěn)定性（抖動）引起的。

確保不要將相位噪聲與抖動混淆。抖動是一種描述時域中振蕩器穩(wěn)定性的方法。它將所有噪聲源組合在一起，并顯示它們對時間的影響。

用最簡單的術語來說，相位噪聲描述了頻域中振蕩器的穩(wěn)定性，而抖動描述了時域中的穩(wěn)定性。

干貨不要錯過:深入探討晶體抖動性和相噪的發(fā)生機理.

晶體抖動性和相噪這兩個性能是有源晶振所特有的功能特性,同時它們的大小也影響著振蕩器的輸出頻率,一般情況下抖動性能越好(即抖動系數越小)那么輸出頻率就穩(wěn)定,同理,對于相噪來說,相位噪聲越小的情況下產品的輸出頻率信號就越穩(wěn)定;是以許多廠家都尋覓優(yōu)化它們的方法,并且低抖動,低相噪是未來產品的發(fā)展方向和目標之一.

一顆晶振有數十種性能,比如老化特性,相位噪聲,頻率衰減特性等等都是晶振產品所具備的性能特性,不過往往用戶關心的性能就僅僅是頻率,負載,頻率容差,尺寸等較為基礎的性能;當然,對于一些特殊用戶來說,有時候工作溫度也是較為關鍵的選型標準,像有源方面的就需要確定工作電壓等參數,但是了解晶體單元的工作方式和溫度頻率特性也是相當有必要的,這樣有助于更好的運用晶振產品.

相位噪聲的度量是個技術活,但似乎也沒想象中那么難

針對如何測量相位噪聲這樣的問題,文澤爾晶振就發(fā)布了相對應的文章,文中明確說到應該采用什么樣的方式去測量相位噪聲,以及相關的注意事項和邏輯分析.在該文中文澤爾晶振采用的低噪聲放大器,當測量相位噪聲時,相比較于50歐姆電阻來說,具有更低的輸入噪聲.

通常情況下,我們在了解一款有源晶振(石英晶體振蕩器)的時候主要看那些參數呢?其實有源晶振的重要參數主要包括類別,振蕩頻率,電源電壓,精度,相位噪聲,抖動性能等等,不過我們在對其進行選型的時候主要關注的就是類別,精度,頻率,電源電壓這幾種參數.在這之前我還沒了解到過具備連續(xù)電源電壓的石英晶體振蕩器,這就是日蝕晶振公司旗下的EB19E2,EB49E2和EB59E2系列.

削頂正玄波(Clipped Sine Wave)是有源晶振輸出方式的一種,相比方波的諧波分量少很多,但驅動能力較弱,在負載10K/10PF時Vp-p為0.8Vmin.通常為SMD7050,SMD5032,SMD3225等封裝的表貼溫補晶振使用的輸出波形.當然,有源晶振還有CMOS,TTL,ECL,LVDS,正玄波等輸出方式,這些輸出邏輯方式也各有優(yōu)缺點,至于如何利用它們我們卻是不得而知.所以臺灣泰藝晶振就推出了相關的技術支持文檔,明確指出應當如何在電路設計中應用削頂正玄波.

差分輸出即差動輸出,是石英晶振產品的輸出邏輯之一,并且還是有源晶振都有的特征;除去差分輸出之外,還有CMOS,正玄波,削頂正玄波,TTL等多種邏輯輸出方式,這些輸出邏輯各有各的特點,比如CMOS輸出邏輯的諧波分量就會很多,但是驅動功率比較大,而正玄波和削頂正玄波輸出邏輯的諧波分量就比較少,但是驅動功率較小.而差分輸出具備兩個輸出信號,相互正交,可降低相位噪聲,在這款具有差分輸出信號的普通石英晶體振蕩器NP3225SBB發(fā)布之前,差分信號輸出只應用于差分晶振至上.

晶體振蕩器削波正弦波形輸出

•截斷的正弦波形最多TCXO晶體振蕩器的流行輸出選項.

-低功耗,改善散熱性能特點更好的老化和頻率穩(wěn)定性能

-比CMOS輸出有源晶體振蕩器更好的相位噪聲性能產量

使用Clipped正弦波形芯片組有輸入緩沖器

•要將限幅波形轉換為CMOS的方波信號,需要輸入緩沖器.

•通常,IC將TCXO溫補晶振的輸出輸入緩沖區(qū).振蕩器電路應具有與逆變器并聯(lián)的RF反饋.

•如果IC沒有Rf電阻輸出引腳的逆變器.

在數字音頻中,時鐘頻率的相位噪聲會影響DAC的抖動功能,并導致聲源的惡化,從而妨礙忠實的聲音再現(xiàn).因此,需要具有優(yōu)異相位噪聲特性(低抖動)的主時鐘晶體振蕩器以改善聲音再現(xiàn)性.

相位噪聲由遠離石英晶體振蕩器的原始頻率測量的頻率分量的電平表示.與參考頻率的距離稱為偏移頻率,主要在1Hz至1MHz的范圍內測量.

此外,頻率穩(wěn)定性通常被認為對晶體振蕩器很重要,但頻率穩(wěn)定性意味著一種不會長時間波動的措施.音頻設備在短期內需要的波動小于長期的穩(wěn)定性.因此,頻率穩(wěn)定度約為±30ppm至±100ppm的SPXO晶振(*4)通常用作主時鐘.對于高端數字音頻,OCXO晶振(*5)可用于更高質量的聲音.

Bliley Technologies是低相位噪聲頻率控制產品設計和制造的全球領導者,總部位于賓夕法尼亞州伊利市.自1930年以來Bliley晶振集團一直是私人擁有和經營的產品,85年來一直是高質量頻率控制產品的穩(wěn)定來源.Bliley研究和開發(fā)的技術是業(yè)內最具創(chuàng)新性,最高質量和最強大的設計.

2016年5月24日,賓夕法尼亞州伊利-高性能頻率控制設備的領導者Bliley Technologies宣布推出世界上功耗最低的恒溫振蕩器LP102 OCXO.LP102恒溫晶振在功耗僅為135mW的產品中具有出色的穩(wěn)定性和相位噪聲性能,是頻率控制行業(yè)的一項重大創(chuàng)新.

Bliley推出世界上功耗最低的LP102 OCXO晶體振蕩器,能夠達到產品所需的最高性能,但是功耗小,具有高可靠使用性.LP102 OCXO恒溫晶振,小型,高精度,低功耗,是工程技術的首選.

日本NDK開發(fā)了一種超小型9×7mm高精度OCXO(烤箱控制)晶體振蕩器,用于基站應用5G,能夠運行高達+95高溫度,NDK開發(fā)適用于5G基站的+95℃高溫OCXO晶振,產品型號命名為NH9070WC恒溫晶振和NH9070WD恒溫晶振.樣品出貨定于2019年7月,批量生產定于2019年12月.

近年來,需要高速和大容量無線電基站網絡來支持該用途大容量內容,如圖像和視頻.為了實現(xiàn)超高速和大容量服務,5G移動網絡需要安裝大量小基站(小基站),以補充宏基站.這個小型基站安裝在一個小空間內,例如建筑物內部或室外公用設施由于高密度安裝,預計極和內部元件的溫度會升高并受到影響由外部環(huán)境變化.因此,需要緊湊,高溫兼容,高穩(wěn)定性石英晶體振蕩器,具有出色的相位噪聲特性和良好的溫度斜率特性*1,不易受溫度變化的影響.

賓夕法尼亞州伊利-高性能頻率控制設備的領導者Bliley Technologies推出的低地球軌道(LEO)衛(wèi)星OCXO晶體振蕩器產品線Iris系列.百利Iris系列OCXO晶振專為LEO軌道空間應用而設計,旨在對LEO軌道典型的總電離劑量和線性能量傳遞進行輻射耐受.

百利晶振集團推出的Lris系列具有Bliley晶振固有的高質量和穩(wěn)定性,具有出色的相位噪聲穩(wěn)定性和g靈敏度,與傳統(tǒng)的空間OCXO恒溫振蕩器相比,百利Iris系列OCXO晶振的低功耗和小尺寸使其成為小型LEO有效載荷的理想選擇.

什么是相位噪聲?相位噪聲通常被測量為石英晶體振蕩器內的頻率穩(wěn)定性.對于那些可能不熟悉的人來說,晶體振蕩器基本上是產生和傳輸射頻信號的主要部件,用于：雷達通信系統(tǒng),微波系統(tǒng),軍事應用,還有更多的應用程序.

來自許多不同來源的振動,即使非常小的振動（微振動）,也會在石英晶體振蕩器中引起相位噪聲和抖動.這抑制了由振蕩器產生的信號的質量和穩(wěn)定性,因此使得裝置的整體通信更加困難.除了直接振動之外,還有其他方法會產生相位噪聲.

有源晶振,石英晶體振蕩器的輸出具有多種選擇,不同的晶體振蕩器輸出信號類型有不同的優(yōu)缺點,具體取決于您的產品應用.了解晶體振蕩器輸出信號類型是一件很有必要的事情,可以減少更多的衰減以及產品的時鐘信號的絮亂.

有關石英晶體振蕩器輸出信號的優(yōu)缺點對比介紹

差分與單端:

正弦波通常提供最佳的相位噪聲,然后是CMOS然后差分

差分信號具有更好的上升和下降時間

差分信號更能抵抗共模噪聲

差分對EMI的影響較小

石英晶振,晶體振蕩器被廣泛用于各行各業(yè),而石英晶體振蕩器是低相位噪聲的高級選擇,并且在電路設計中增加了頻率穩(wěn)定性.比如像電阻器-電容器（RC）或電感器（IC）-諧振器那樣的簡單振蕩器對某些電路來說比較好.下面一起探索Bliley晶體振蕩器電路低相位噪聲的秘密.

我們都了解航天航空,軍事應用都需要更高性能的應用,需要選擇的是具有更高精密的晶體振蕩器產品,以保持低相位噪聲和高穩(wěn)定性,否則會導致設計中心頻率偏移的風險.晶振晶體在電路中的噪聲過程導致中心頻率偏離其期望值.頻率漂移的其他原因包括溫度,振動和g力的變化.頻率信號中的這種不需要的噪聲可以被測量為相位噪聲.

如何測量晶體振蕩器中的低相位噪聲

能夠測量和監(jiān)控石英晶體振蕩器,有源晶體振蕩器中的相位噪聲水平非常重要,因為它可能會因晶體老化或其他外部因素（如振動,溫度和g力）而隨時間變化.

在頻域中測量相位噪聲,并將其繪制為信號幅度與頻率的關系.對于相當嘈雜的信號,可以在頻譜分析儀上清楚地看到相位噪聲. 然而,大多數有源晶體振蕩器產生非常干凈的信號.在這種情況下,分析儀本地振蕩器的噪聲高于被測振蕩器的噪聲......使得很難直接觀察到相位噪聲.現(xiàn)在必須實現(xiàn)提高測量過程的靈敏度.

測量相當干凈的晶體振蕩器信號中相位噪聲的最常用方法是將一個振蕩器與另一個振蕩器進行比較.大多數商業(yè)相位噪聲測量系統(tǒng)使用這種方法.