常见石英晶体振荡器的相位噪声分析

常见石英晶体振荡器的相位噪声分析

石英晶体振荡器又称为有源晶振,有源晶振常见的类型为普通有源晶振(OSC),温补有源晶振(TCXO),恒温有源晶振(OCXO),这三种有源晶振直观上的区别是频率精度越来越高:

普通有源晶振(OSC):±10PPM~30PPM

温补有源晶振(TCXO):±0.1~5PPM

恒温有源晶振(OCXO):±10~几百PPB

除了在输出频率精度上存在差异以外,有时还需要注意另外一个非常重要的参数——相位噪声。

以100MHZ晶振为例,不同条件下相位噪声的表现如下,仅供参考:

100MHz是作为一个常用的频率,从切型和振动模式来看,常用的有以下三种晶体:

  • AT切三次泛音
  • AT切五次泛音
  • SC切五次泛音

第一种通常用来制作温补晶振OSC和TCXO,后两种则用来制造恒温晶振OCXO。这是因为:

1、AT切晶体在非恒温的情况下,在宽温度范围内(-40℃~+85℃)其频率温度变化要小于SC切的晶体,适合于温补晶振和普通晶振。

2、AT切晶体的频率牵引率较大,适合于温补晶振。

3、良好设计的五次泛音的晶体比三次泛音的晶体Q值更高,相噪、老化、稳定度都会更好,更适合做恒温晶振。

为了测试晶振的Q值与相位噪声之间的关系,选择了频率为100M的三种晶振进行试验。

三种晶振参数如下:

A.AT切三次泛音,Q值约为50K。

B.AT切五次泛音,Q值约为90K。

C.SC切五次泛音,Q值约为130K。

电路的基本结构相同,但有一些区别:

晶体A没有加恒温电路,电源供电为5V,主振级使用4V的稳压电压。

晶体B恒温到70度附近,电源供电为5V,主振级使用4V的稳压电压。

晶体C恒温到90度附近,电源供电为12V,主振级使用8V的稳压电压。

输出幅度都在9dBm左右。

测试相噪结果如下:

一.远端10KHz以外的相噪:

1、晶体C最好,这或许是因为使用了较高的电源电压,因此输出信噪比较好。

2、晶体A与B相比,A的远端相噪较好,这可能是基于以下两点:

  •  晶体A的电路没有恒温,热噪声较低。
  • 晶体A是三次泛音晶体,虽然Q值低,但谐振阻抗RS也低,因此主振级输出幅度较大,信噪比提高。

二.近端10HZ处的相噪:

没有什么区别。

一般上理论认为,晶振的相位噪声,近端取决于晶振,远端取决于电路。近端相位噪声正比于晶体Q值的4次方。但是在我们的试验中没有得到体现,可能的原因在于:

1、近端仍旧是电路的噪声在起主要作用,高Q值晶振的效果没有得到发挥。

2、晶振有载Q值比空载Q值下降很多,以至于各种晶体的有载Q值差别不大,所以相噪相差不大。

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