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通过试验分析不同类型晶振相位噪声特点

时间:2016-02-17 来源:


    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±2050ppmTCXO为±0.15ppm 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。以下就以100MHZ晶振为例,分析不同条件下,他们的相位噪声表现。

   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种晶体:AT3次泛音、AT5次泛音、SC5次泛音。前一种通常用来制作温补晶振XOTCXO,后2种用来制作恒温晶振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5次泛音的晶体比3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。

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

    3种晶体如下:

      A.AT3次泛音,Q值约为50K

      B.AT5次泛音,Q值约为90K

      C.SC5次泛音,Q值约为130K

    电路的基本结构相同,但有一些变化。

    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.  先看远端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AB相比,A的远端相噪较好,这可能是基于以下2点:

        2.1.  晶体A的电路没有恒温,热噪声较低。

        2.2.  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. 再来看近端10HZ处的相噪:

几种晶体没有太大的区别,恒温和非恒温也没有什么区别。

一般上理论认为,晶振的相位噪声,近端取决于晶体,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值晶体的效果没有得到发挥。

2.晶体的有载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。

  

      总结来说,在低噪声晶振的设计中,电路是非常重要的环节,振荡电路应该要使晶体的有载Q值不致下降很多,并且电路附加的噪声要足够小。一般性的设计中,不必一味追求晶体的高Q值(对老化率有要求的除外),用低成本的晶体加上设计良好的电路也能得到不错的相位噪声水平。


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