不同晶振及晶振电路产生的相位噪声phase noise原因及分析

在低噪声晶振设计中，电路是非常重要的环节，振荡电路应该要使晶振的有载Q值不致下降很多，并且电路附加的噪声要足够小。

有源晶振常见的类型为普通晶振XO，温补晶振TCXO，恒温晶振OCXO，他们之间直观的不同，就是频率精度要求越来越高，XO为±20～50ppm、TCXO为±0.1～5ppm、 OCXO为±10～几百ppB；同比它们除了精度的要求不同外，有时还需要关注另外一个非常重要的参数，那就是相位噪声。

以100MHZ晶振为例，分析不同条件下晶振相位噪声的表现。

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3种晶振：AT切3次泛音、AT切5次泛音、SC切5次泛音。前一种通常用来制作温补晶振XO和TCXO，后2种用来制作恒温晶振OCXO。这是因为：

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

2. AT切晶振的频率牵引率较大，适合于温补晶振。

3. 良好设计的5次泛音的晶振比3次泛音的晶振Q值更高，相噪、老化、稳定度都会更好，更适合做恒温晶振。

为了试验晶振的Q值与相位噪声之间的关系，选择了100M晶振的3种晶振进行试验。

3种晶振如下：

A.AT切3次泛音，Q值约为50K。

B.AT切5次泛音，Q值约为90K。

C.SC切5次泛音，Q值约为130K。

电路的基本结构相同，但有一些变化。

晶振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。

晶振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。

晶振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． 先看远端10KHz以外的相噪：

1. 晶振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. 晶振A与B相比，A的远端相噪较好，这可能是基于以下两点：

2.1. 晶振A的电路没有恒温，热噪声较低。

2.2. 晶振A是三次泛音晶振，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． 再来看近端10HZ处的相噪：

几种晶振没有太大的区别，恒温和非恒温也没有什么区别。

一般上理论认为，晶振相位噪声，近端取决于晶振，远端取决于电路。近端相位噪声正比于晶振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.晶振的有载Q值比空载Q值下降很多，以至于各种晶振的有载Q值差别不大，所以相噪相差不大。