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更多>>有源晶振外部噪聲干擾對相位噪聲的影響
來源：http://www.jqhs.com.cn 作者：康比電子 2018年12月17
有源晶振坐落在我們身邊的各種電子產(chǎn)品中,給人們帶來了更多的便利和福音.低噪聲,頻化高的有源晶振在GPS通信系統(tǒng)中是不允許頻率顫抖的,相位噪聲是表征振蕩器頻率顫抖的一個重要參數(shù).而OCXO主流產(chǎn)品的相位噪聲性能有很大改善.除VCXO外,其它類型的晶體振蕩器最高輸出頻率不超過200MHz.例如用于GSM等移動電話的UCV4系列壓控振蕩器,其頻率為650～1700MHz,電源電壓2.2～3.3V,工作電流8～10mA.該篇文章康比電子來簡述一下關(guān)于有源晶振的一些外部干擾以及其他的一些影響.
■測量缺陷
這個測量系統(tǒng)的一個問題是,你將被測振蕩器與"理想的,無噪聲的"振蕩器混合.因為沒有這種真實世界的設(shè)備,所以你必須把它和你知道的比被測設(shè)備好得多的東西混合在一起,并假設(shè)'參考'沒有注入噪音.另一種選擇是與相當(dāng)于被測單位的東西混合,并假設(shè)兩個振蕩器的貢獻(xiàn)相等.這兩種方法都有固有的缺陷.通過與更好的東西進(jìn)行混合,你假設(shè)參考文獻(xiàn)中沒有降級.
如果你有一個比它好10倍的參考,效果是最小的,但是你的測量仍然有退化.通過與一個相等的聲源混合,并假設(shè)貢獻(xiàn)相等,你可以將3dB添加到你的目標(biāo)中,這樣你就可以接受真正超出預(yù)期規(guī)格的結(jié)果,因為還有另一個噪聲源.然而,你怎么知道他們是平等的,事實上大多數(shù)時候他們是不平等的.一個源將比另一個源具有更好的噪聲特性,這將產(chǎn)生模糊的數(shù)據(jù).事實上,如果被選作"參考"的單位最終是一個相對干凈的來源,并且你假設(shè)你做出了同樣的貢獻(xiàn),那么你可能會接受事實上失敗的結(jié)果,但是你無法知道.
■外部噪聲/干擾
除了電路特性,測量假設(shè)和隨機(jī)晶體波動之外,振蕩器及其相位噪聲行為還受到提供給石英晶體振蕩器的功率的很大影響.圖1顯示了一個帶噪聲電源的TCXO.可以看到80到1000Hz之間的雜散,幅度約為40dBc.
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圖1帶噪聲電源的TCXO
圖2顯示了用更干凈的電源測試的相同TCXO晶振,只剩下兩個幅度約為20dBc的雜散.振蕩器制造商無法控制客戶在其應(yīng)用中使用的電源,因此試圖僅表征相位噪聲性能,而不表征電源對振蕩器的影響.振蕩器制造商試圖使用最清潔的電源進(jìn)行測量.
圖2帶清潔電源的TCXO
耳旁干擾也可能出現(xiàn)在相位噪聲測量中.圖3(下圖)顯示了TCXO從上方運行的清潔電源,但是一臺計算機(jī)監(jiān)視器運行在離振蕩器和測試設(shè)備大約3英尺的地方.圖10顯示了監(jiān)視器關(guān)閉時的相同測試.同樣,圖3中的雜散并非來自四腳貼片振蕩器,因此我們試圖通過在測試期間關(guān)閉計算機(jī)監(jiān)視器來消除它們.
這些真實世界的圖表(圖3,4)顯示了消費者和制造商之間的潛在脫節(jié)是如何發(fā)生的.
不幸的是,專門設(shè)計/購買振蕩器的設(shè)計工程師可能不知道這些措施已經(jīng)采取,也可能沒有意識到對他們的特定系統(tǒng)或應(yīng)用的最終影響.振蕩器不會獨自在屏蔽室中運行.它將在一個更大的組件中,溫度梯度和非理想的電源以及附近運行的其他機(jī)器或計算機(jī).
當(dāng)設(shè)計工程師查看相位噪聲圖并假設(shè)這是他們系統(tǒng)中的相位噪聲圖時,可能會有問題.如果設(shè)計中沒有預(yù)留空間,可能會出現(xiàn)嚴(yán)重的問題.
最后,還有兩個直接影響相位噪聲性能的額外因素,振蕩器制造商對此無法控制.振動影響晶振的相位噪聲,如下式所示:
其中_是振蕩器的g靈敏度,A是振動中g(shù)的量,F0是振蕩器的頻率,Fv是振動的頻率.[10]
大多數(shù)軍事設(shè)計師都很清楚這種退化現(xiàn)象,并與制造商合作,了解振蕩器在現(xiàn)場振動下的特性.
阻礙相位噪聲性能的另一個因素是乘法.許多客戶會購買一臺兆赫的振蕩器,并將其放大到千兆赫范圍.這是可以接受的,并且將是一個穩(wěn)定的振蕩器,但是相位噪聲會因以下原因而降低:
其中N是乘法因子.
振動和乘法是用戶可能對振蕩器進(jìn)行的兩個過程,潛在的性能下降應(yīng)該由振蕩器制造商解決.對于設(shè)計者來說,了解所有這些變量對時間基礎(chǔ)的影響非常重要,并與制造商合作,確保交付滿足其真實世界和性能要求的高質(zhì)量振蕩器.
■結(jié)論
相位噪聲是任何時基的一個非常重要的方面.振蕩器制造商試圖通過最大化Q值,使用低噪聲有源器件和增加石英晶振功率來最小化振蕩器中的相位噪聲.測試相位噪聲的方法直接影響測試結(jié)果:低噪聲電源或電池可用于降低電源紋波產(chǎn)生的相位噪聲;可以消除來自計算機(jī),照明或其他機(jī)械的附近干擾.最后,熱緩沖器可用于確保測試僅測量振蕩器噪聲,而不是來自外部源的噪聲.
對于使用振蕩器作為時基的系統(tǒng)設(shè)計工程師來說,了解相位噪聲現(xiàn)象并表征其影響至關(guān)重要.系統(tǒng)設(shè)計人員應(yīng)與振蕩器制造商溝通,以確定振蕩器相位噪聲對其系統(tǒng)設(shè)計和最終真實性能的可能性和影響.
■展望未來
振蕩器設(shè)計者一直在尋找改善相位噪聲性能的方法,并為客戶提供更穩(wěn)定的振蕩器.許多降噪方案正在嘗試和實施.目前,GreenrayIndustries正在制造一種TCXO,通過在補(bǔ)償電壓上使用閉合濾波,可以在10Hz下實現(xiàn)優(yōu)于-100dBc的性能.其他有待測試的想法是使用恒溫晶振中的晶體濾波器作為超選擇性帶通濾波器.這應(yīng)該會降低相位噪聲基底,但是實際實施時必須克服幾個因素.
對于精度高,低噪聲振蕩器及其在各種苛刻應(yīng)用中的關(guān)鍵作用來說,未來確實是光明的.在當(dāng)代無論是科技方面還是正火熱的5G技術(shù),智能化等方面,都是比較火熱的行業(yè),并需要有源晶振來提供性能.
■測量缺陷
這個測量系統(tǒng)的一個問題是,你將被測振蕩器與"理想的,無噪聲的"振蕩器混合.因為沒有這種真實世界的設(shè)備,所以你必須把它和你知道的比被測設(shè)備好得多的東西混合在一起,并假設(shè)'參考'沒有注入噪音.另一種選擇是與相當(dāng)于被測單位的東西混合,并假設(shè)兩個振蕩器的貢獻(xiàn)相等.這兩種方法都有固有的缺陷.通過與更好的東西進(jìn)行混合,你假設(shè)參考文獻(xiàn)中沒有降級.
如果你有一個比它好10倍的參考,效果是最小的,但是你的測量仍然有退化.通過與一個相等的聲源混合,并假設(shè)貢獻(xiàn)相等,你可以將3dB添加到你的目標(biāo)中,這樣你就可以接受真正超出預(yù)期規(guī)格的結(jié)果,因為還有另一個噪聲源.然而,你怎么知道他們是平等的,事實上大多數(shù)時候他們是不平等的.一個源將比另一個源具有更好的噪聲特性,這將產(chǎn)生模糊的數(shù)據(jù).事實上,如果被選作"參考"的單位最終是一個相對干凈的來源,并且你假設(shè)你做出了同樣的貢獻(xiàn),那么你可能會接受事實上失敗的結(jié)果,但是你無法知道.
■外部噪聲/干擾
除了電路特性,測量假設(shè)和隨機(jī)晶體波動之外,振蕩器及其相位噪聲行為還受到提供給石英晶體振蕩器的功率的很大影響.圖1顯示了一個帶噪聲電源的TCXO.可以看到80到1000Hz之間的雜散,幅度約為40dBc.
圖1帶噪聲電源的TCXO
圖2帶清潔電源的TCXO
這些真實世界的圖表(圖3,4)顯示了消費者和制造商之間的潛在脫節(jié)是如何發(fā)生的.
圖3監(jiān)視器正在運行的TCXO
圖4顯示器關(guān)閉的TCXO
振蕩器制造商只描述石英振蕩器的相位噪聲性能,并且可能會竭盡全力展示"低"相位噪聲.清潔的電源甚至電池被用來減少外來噪音;減輕了附近的干擾源,例如計算機(jī)監(jiān)視器或其他設(shè)備.制造商甚至可以建造法拉第籠——一個屏蔽室——來減少外部干擾.許多人使用擋板或緩沖器來減少振蕩器周圍的氣流,以改善熱條件并減少相位噪聲.不幸的是,專門設(shè)計/購買振蕩器的設(shè)計工程師可能不知道這些措施已經(jīng)采取,也可能沒有意識到對他們的特定系統(tǒng)或應(yīng)用的最終影響.振蕩器不會獨自在屏蔽室中運行.它將在一個更大的組件中,溫度梯度和非理想的電源以及附近運行的其他機(jī)器或計算機(jī).
當(dāng)設(shè)計工程師查看相位噪聲圖并假設(shè)這是他們系統(tǒng)中的相位噪聲圖時,可能會有問題.如果設(shè)計中沒有預(yù)留空間,可能會出現(xiàn)嚴(yán)重的問題.
最后,還有兩個直接影響相位噪聲性能的額外因素,振蕩器制造商對此無法控制.振動影響晶振的相位噪聲,如下式所示:
其中_是振蕩器的g靈敏度,A是振動中g(shù)的量,F0是振蕩器的頻率,Fv是振動的頻率.[10]
大多數(shù)軍事設(shè)計師都很清楚這種退化現(xiàn)象,并與制造商合作,了解振蕩器在現(xiàn)場振動下的特性.
阻礙相位噪聲性能的另一個因素是乘法.許多客戶會購買一臺兆赫的振蕩器,并將其放大到千兆赫范圍.這是可以接受的,并且將是一個穩(wěn)定的振蕩器,但是相位噪聲會因以下原因而降低:
其中N是乘法因子.
振動和乘法是用戶可能對振蕩器進(jìn)行的兩個過程,潛在的性能下降應(yīng)該由振蕩器制造商解決.對于設(shè)計者來說,了解所有這些變量對時間基礎(chǔ)的影響非常重要,并與制造商合作,確保交付滿足其真實世界和性能要求的高質(zhì)量振蕩器.
■結(jié)論
相位噪聲是任何時基的一個非常重要的方面.振蕩器制造商試圖通過最大化Q值,使用低噪聲有源器件和增加石英晶振功率來最小化振蕩器中的相位噪聲.測試相位噪聲的方法直接影響測試結(jié)果:低噪聲電源或電池可用于降低電源紋波產(chǎn)生的相位噪聲;可以消除來自計算機(jī),照明或其他機(jī)械的附近干擾.最后,熱緩沖器可用于確保測試僅測量振蕩器噪聲,而不是來自外部源的噪聲.
對于使用振蕩器作為時基的系統(tǒng)設(shè)計工程師來說,了解相位噪聲現(xiàn)象并表征其影響至關(guān)重要.系統(tǒng)設(shè)計人員應(yīng)與振蕩器制造商溝通,以確定振蕩器相位噪聲對其系統(tǒng)設(shè)計和最終真實性能的可能性和影響.
■展望未來
振蕩器設(shè)計者一直在尋找改善相位噪聲性能的方法,并為客戶提供更穩(wěn)定的振蕩器.許多降噪方案正在嘗試和實施.目前,GreenrayIndustries正在制造一種TCXO,通過在補(bǔ)償電壓上使用閉合濾波,可以在10Hz下實現(xiàn)優(yōu)于-100dBc的性能.其他有待測試的想法是使用恒溫晶振中的晶體濾波器作為超選擇性帶通濾波器.這應(yīng)該會降低相位噪聲基底,但是實際實施時必須克服幾個因素.
對于精度高,低噪聲振蕩器及其在各種苛刻應(yīng)用中的關(guān)鍵作用來說,未來確實是光明的.在當(dāng)代無論是科技方面還是正火熱的5G技術(shù),智能化等方面,都是比較火熱的行業(yè),并需要有源晶振來提供性能.
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