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    常見石英晶體振蕩器的相位噪聲分析

    石英晶體振蕩器又稱為有源晶振,有源晶振常見的類型為普通有源晶振(OSC),溫補有源晶振(TCXO),恒溫有源晶振(OCXO),這三種有源晶振直觀上的區別是頻率精度越來越高:

    普通有源晶振(OSC):±10PPM~30PPM

    溫補有源晶振(TCXO):±0.1~5PPM

    恒溫有源晶振(OCXO):±10~幾百PPB

     

    除了在輸出頻率精度上存在差異以外,有時還需要注意另外一個非常重要的參數——相位噪聲。

    以100MHZ晶振為例,不同條件下相位噪聲的表現如下,僅供參考:

    100MHz是作為一個常用的頻率,從切型和振動模式來看,常用的有以下三種晶體:

    • AT切三次泛音
    • AT切五次泛音
    • SC切五次泛音

     

    第一種通常用來制作溫補晶振OSC和TCXO,后兩種則用來制造恒溫晶振OCXO。這是因為:

    1、AT切晶體在非恒溫的情況下,在寬溫度范圍內(-40℃~+85℃)其頻率溫度變化要小于SC切的晶體,適合于溫補晶振和普通晶振。

    2、AT切晶體的頻率牽引率較大,適合于溫補晶振。

    3、良好設計的五次泛音的晶體比三次泛音的晶體Q值更高,相噪、老化、穩定度都會更好,更適合做恒溫晶振。

     

    為了測試晶振的Q值與相位噪聲之間的關系,選擇了頻率為100M的三種晶振進行試驗。

    三種晶振參數如下:

    A.AT切三次泛音,Q值約為50K。

    B.AT切五次泛音,Q值約為90K。

    C.SC切五次泛音,Q值約為130K。

     

    電路的基本結構相同,但有一些區別:

    晶體A沒有加恒溫電路,電源供電為5V,主振級使用4V的穩壓電壓。

    晶體B恒溫到70度附近,電源供電為5V,主振級使用4V的穩壓電壓。

    晶體C恒溫到90度附近,電源供電為12V,主振級使用8V的穩壓電壓。

    輸出幅度都在9dBm左右。

     

    測試相噪結果如下:

    一.遠端10KHz以外的相噪:

    1、晶體C最好,這或許是因為使用了較高的電源電壓,因此輸出信噪比較好。

    2、晶體A與B相比,A的遠端相噪較好,這可能是基于以下兩點:

    • ?晶體A的電路沒有恒溫,熱噪聲較低。
    • 晶體A是三次泛音晶體,雖然Q值低,但諧振阻抗RS也低,因此主振級輸出幅度較大,信噪比提高。

     

    二.近端10HZ處的相噪:

    沒有什么區別。

    一般上理論認為,晶振的相位噪聲,近端取決于晶振,遠端取決于電路。近端相位噪聲正比于晶體Q值的4次方。但是在我們的試驗中沒有得到體現,可能的原因在于:

    1、近端仍舊是電路的噪聲在起主要作用,高Q值晶振的效果沒有得到發揮。

    2、晶振有載Q值比空載Q值下降很多,以至于各種晶體的有載Q值差別不大,所以相噪相差不大。

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