一般石英晶体振荡器打上低相器的”标签”,就属于比较高端的频率元件,因为降低噪声和功耗,可以使产品的性能变得更高,损耗减少,可以为用户节省成本.那么要如何确定Crystal Oscillator的相位噪声呢?可以通过一些专业的仪器和技术测量,例如频率鉴别器,频谱分析仪,示波器等工具.在早之前低相器振荡器因为成本较高,因此没有被发展起来,现今国外的晶振厂家已实现低成本设计和制造.金洛鑫电子整理了低成本Crystal Oscillator相位噪声测量资料,并将这份实用笔记分享出来.

低噪声晶体振荡器可以表现出极低的近距离相位噪声,无法使用频谱分析仪或频率鉴别器直接测量.最常见的测量技术将被测振荡器的相位与具有相似或更高噪声性能的参考振荡器进行比较.通过将两个晶振的相对相位保持为正交,普通PLL可以使测量更容易,这通常是将小相位变化转换为电压变化的最佳点.虽然PLL一直在努力消除这些相位变化,但时间常数可以设置得足够长,以保持感兴趣的最慢相位变化.下面显示了一个典型的框图,其中被测振荡器和参考振荡器直接连接到双平衡二极管混频器.混频器输出通过低通滤波器连接,以阻止RF频率到锁相放大器.选择电阻器和电容器以使环路带宽远低于要测量的最低频率.相位斜率为每弧度伏特,调谐灵敏度为每秒弧度-伏特,即每伏特2ПHz.

低通滤波器应该去除无线电频率,但它不应该在环路带宽附近具有泫降频率,否则环路可能变得不稳定,并且它应该足够宽以使噪声通过所关注的最高频率.噪声输出通常发送到低噪声放大器,然后是音频频谱分析仪,波形分析仪或滤波器.如果分析仪本底噪声足够低,则可能不需要低噪声放大器.

低噪声晶体振荡器可以表现出极低的近距离相位噪声,无法使用频谱分析仪或频率鉴别器直接测量.最常见的测量技术将被测振荡器的相位与具有相似或更高噪声性能的参考振荡器进行比较.通过将两个振荡器的相对相位保持为正交,普通PLL可以使测量更容易,这通常是将小相位变化转换为电压变化的最佳点.虽然PLL一直在努力消除这些相位变化,但时间常数可以设置得足够长,以保持感兴趣的最慢相位变化.下面显示了一个典型的框图,其中被测振荡器和参考振荡器直接连接到双平衡二极管混频器.混频器输出通过低通滤波器连接,以阻止RF频率到锁相放大器.选择电阻器和电容器以使环路带宽远低于要测量的最低频率.相位斜率为每弧度伏特,调谐灵敏度为每秒弧度-伏特,即每伏特2ПHz.

低通滤波器应该去除无线电频率,但它不应该在环路带宽附近具有泫降频率,否则环路可能变得不稳定,并且它应该足够宽以使噪声通过所关注的最高频率.噪声输出通常发送到低噪声放大器,然后是音频频谱分析仪,波形分析仪或滤波器.如果分析仪本底噪声足够低,则可能不需要低噪声放大器.

上述方案外观简单,但有许多选择,并发症和陷阱.

1.首先,混频器将相位变化转换为电压变化,其转换灵敏度必须确定.

确定转换因子的一种方法是断开电气调谐并调节振荡器频率,直到使用示波器在混频器输出端观察到拍音.可以以伏特每弧度确定过零点的斜率,记住一个完整的拍音符对应于2π弧度.陷阱:连接到PLL的放大器可能被拍音过驱动并导致测量错误.如果它们断开连接,则混频器的负载会发生变化,这可能会改变相位斜率,尤其是在混频器输出端没有使用低阻抗负载时(为了获得更好的相位斜率).可以在不改变其输入特性的情况下切换到较低增益的放大器是有用的.而且,正相和负相位斜率可以不同,并且有必要确定当环被锁定时使用哪个斜率.不同的正斜率和负斜率可以指示”注射锁定”由石英振荡器隔离不足引起的缓冲放大器甚至倍频器通常会减少或消除注入锁定.仅在一个频率上检查相位斜率,并且可能存在非平坦的频率响应,尤其是如果使用异常混频器电路来增强相位斜率.当只测量近距离噪声或本底噪声没有超出测量极限时,最好用50欧姆终止混频器输出.

确定斜率的另一种技术是仔细确定其中一个振荡器的电调谐灵敏度,并应用音频信号以产生精确的频率调制.振荡器的电调谐网络必须具有足够的带宽以不滚降调制信号,并且如果移动DC点则必须考虑调谐非线性.将PLL调谐电压连接到O.U.T可能是有利的.因此,可以利用固定的DC偏压将调制应用于参考振荡器电调谐.要测量斜率,请锁定PLL并以低频率(在振荡器的调谐带宽内)应用小音频音调,并且小到足以不使低噪声放大器过驱动.由Xrad=Vmod(伏特)x调谐灵敏度(Hz/伏特)/音频(Hz)计算得到的弧度调制水平.测量分析仪上的信号高度,该测量值与计算的弧度值之比为相位斜率.一些分析仪使用可变测量带宽,然后将噪声测量标准化为1Hz.在测量相位斜率或其他非随机信号时,请记住关闭此带宽归一化(伏特每根-Hz).您还可以使用连接到低噪声放大器输出的示波器测量校准调制.

2.PLL产生的噪声可以覆盖贴片振荡器的噪声.使用较低值的电阻和低噪声运算放大器.

3.PLL中的低阻尼因子会产生噪声"凸起",这会夸大环路带宽频率附近的噪声.

4.大信号,线路相关频率和大幅度低频噪声可能导致放大器过载,从而导致错误计数

5.接地上的音频噪声可能会进入低噪声音频放大器并导致错误的高读数.分流炉电流和其他电源电流直接返回电源,而不是通过信号同轴电缆.

测量相位噪声的简化程序如下:

●测量相位斜率.

●连接电气调谐和PLL以及低噪声放大器.重新调整OSC石英贴片振荡器频率,以便在调谐范围中间附近调谐电压.LPF输出应接受零伏.

●测量低噪声放大器输出端的音频频谱

以下是典型测量和所需计算的示例:

假设一个9Hz带宽的波分析仪在1KHz时测得17uVrms,而混频器的相位斜率为0.8伏/弧度.还假设低噪声放大器的增益为60dB.首先,将17uV除以0.8伏/弧度,将电压转换为弧度.现在除以测量带宽的平方根(sqrt(9)=3)以归一化到1HZ带宽.现在计算对数(基数10)并乘以20.减去放大器增益(60dB),如果假设振荡对测量产生相同的噪声,则减去3dB,然后减去3dB以校正测量结果实际上是双边带:

L(f)=20log(17×10-6/(0.8×3))-60-3-3=169dBc.

使用拍音技术测量相位斜率:

断开电气调谐和低噪声放大器.将示波器连接到LPF输出.示波器输入和触发应该是直流耦合!将一个进口OSC晶体振荡器去掉,直到一个完整周期以相当慢的扫描速度填充屏幕.将扫描速度提高精确系数100.全屏现在为0.02pi弧度.调整触发器(而不是垂直位置)!以测量迹线在过零电压时的斜率.如果迹线是弯曲的,则尝试估计是最适合零交叉处曲线的线.例如,如果迹线(或最佳直线)跨越50mV,则相位斜率为.05/02pi=0.8伏/弧度.