深度探讨Oscillator的短期稳定性
　　在采购进口晶体振荡器时,很多人都会考虑到频率稳定性,这是有源系列比较重要的参数指标,单位是ppm,一般我们叫做精度或者精确度等.振荡器还有另一项电气特性,叫做短期稳定性,很多人并不了解这一参数,而且与频率稳定性的意义相差比较大,它主要是指有源晶振的相位噪声和调频噪声,本文的主要目的就是给大家深入的讲解,什么是振荡器的短期稳定性,内含公式和技术图,内容较长需要一些耐心,有任何问题都可以联系金洛鑫电子.
　　先前假设振荡器的输出信号是一定频率的信号.严格来说,它由一个复杂的频谱组成,其统计平均值称为振荡器频率f0.

相位波动

　　短期频率稳定性是指这些短期统计频率波动,这些波动发生在几分之一秒到几分之一秒的间隔内.根据应用,可以在时域或频域中指定短期稳定性.在时域中,频率或周期持续时间的波动是测量时间(平均时间)的函数.短期稳定性在这里表示为Allan方差F2y作为平均时间J的函数.在频率范围内,短期稳定性指定为相位噪声或调频噪声,即:
　　SN(f)”rad2/Hz›=相位噪声的频谱密度
　　SY(f)”Hz-1›=频率波动的频谱密度
　　‹(F)”dBC/Hz›=与载波有关的单边带功率密度
如果调相冲程非常小,则关系为:
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数学上,具有噪声的信号表示为:
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我们在这里仅考虑相位(频率)波动的一部分:
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　　统计分布的形式在很大程度上取决于噪声的来源.石英振荡器的典型噪声频谱(图7.2)可以想象如下:从均匀的白噪声带开始,放大噪声的积累在振荡器频率f0附近上升,这主要取决于振荡器组件的噪声特性.这包括石英晶体振荡器放大器的噪声(散粒噪声)以及反馈网络的热噪声.

振荡器的2S峰值输出功率

　　包括带有自己噪声源的振动石英.fc平均值周围的有限线宽最终由石英所确定的频率决定.单个噪声源和振荡级的相互作用非常复杂,但可以用Leeson模型进行相当好的计算估计.
时间范围内的短期稳定性:
　　作为时间范围内短期稳定性的测量指标,给出了频率随测量时间的变化.测量时间可以是纳秒、毫秒或几秒钟.根据测量时间j,短期稳定性通常以表格或图表的形式表示(图5).短期稳定性的测量是测量频率波动的方差.当用频率计测量频率时,测量时间j是计数器采样时间(减去总时间).因此,显示的值是整个测量时间J上频率的平均值.测量值k与平均值f0的偏差为:
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通过足够多的N次测量,可以将频率波动的方差F2指定为1):
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其中包括:

　　与相同频率fo的参考振荡器相比,方便地获得了用于确定短期稳定性的测量值.对于评估,无论测量的频率偏差,周期变化还是相位波动都没有关系,它们在数学上是牢固地联系在一起的.将它们放在搅拌机上.如果除波动之外两个振荡器的频率完全相同,我们可以直接在混频器的输出端获得振荡器的频率的波动f,经过低通滤波器后,可以直接通过计数器确定这些频率波动.如果测量时间之间的停滞时间可以忽略不计(采样时间的10％),则计数器的采样时间就是测量时间J.
　　根据等式,从f个测量(N个测量)中进行.5方差最好由下游计算机计算并打印出来.但是,如果两个晶振的频率由于长期的频率变化而漂移,则存在问题.大多数情况下都是这样.因此,标准差不是由与Y0相关的测量值形成,而是由两次连续测量的平均值形成,然后基于Allan方差进行评估.
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　　M=测量值的数目
示例:
　　我们使用采样速率J=1s立即连续执行10次频率比较测量Y=)f/f0=(f2-f1)/f0.

　　可以从具有不同采样时间的几次测量中执行相同的评估.评估得出的图形如上图所示,当然,要获得可重复的值,需要进行10次以上的测量.
频域的短期稳定性:
　　相位噪声是在频域中振荡器的短期频率稳定性的量度.相位噪声产生与中心振荡器频率fo对称的边带频谱.由于这种对称性,评估两个边带之一就足够了.
　　SN(f)函数描述”频率范围内的相位噪声”.相位波动Sn(f)的频谱密度与频率波动的频谱密度直接相关:
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f=傅立叶频率或基带频率(边带频率).

载波相关功率密度

　　如图上图所示.在fo中,我们有两个边带的载波,从fo到f-4以及fo到f+4的傅立叶频率.在f中以1Hz的带宽测量的噪声功率与载波功率有关,即与载波有关的功率密度.当使用较大的带宽进行测量时,功率密度必须转换为1Hz的带宽,具有相对强相位噪声的信号源的噪声可以直接通过频谱分析仪进行测量.该方法的缺点是不能区分幅度和相位(频率)噪声.由于分析仪的中频带宽,无法在靠近载波的位置测量相位噪声和测量装置.在石英振荡器中,相位噪声非常低,导致该方法失败了;更灵敏的方法是相位检测器方法,此处,将要测试的振荡器1和参考有源贴片晶振的输出信号施加到正交混频器的输入(相位差为90/).

相位噪声,测量装置

　　(图13).用低通滤波器滤除混频器中出现的总频率2f0.设计滤波器时,要测量的基带在通带内.在此低通之后,我们得到两个振荡器的差频f=0Hz,具有相等的频率和两个振荡器的组合相位噪声.
　　考虑到系统的校准常数以及对带宽1Hz的转换,我们直接在下游NF频谱分析仪上获得了基带Sv(f)中的噪声电压.校准鉴相器时,请确保输出电压包含两个边带,但根据定义,仅评估一个边带的噪声(减少6dB).如果没有低噪声比较振荡器,则可以使用等于要检查的振荡器的振荡器.假设噪声行为相同,则测得的噪声功率将增加％2@.应从评估中减去3dB.为了在测量过程中将两个振荡器保持正交状态(90/相位差),一个振荡器的频率(相位)可通过控制回路进行调整.该控制回路包含一个低通滤波器,可防止要测量的噪声分量被同步掉.当两个振荡器之一失谐时,从输出电压获得鉴相器的校准常数KN.校准常数取决于鉴别器斜率.
相位噪声的性质:
　　如果一个人在测得的曲线上画出几条直线,然后以双对数刻度依次绘制它们,则可以推断出噪声的性质.从频域到时域的转换相对频率波动Sy(f)的频谱功率密度可以通过幂级数来描述,在此限制为5个项:
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　　on是强度系数.n是双对数标度上噪声曲线的直线部分的斜率.指示噪声类型的性质.这些系数是各个噪声类型的特征,假设上截止频率为fh(Th=2Bfh),则可以使用下表中的转换公式转换功率序列SY(f)的各个区域.

　　结果,当今常用的标准测量方法主要提供与载波功率有关的单边带相位噪声[f].在高度稳定的振荡器的应用中,例如但是,在多普勒雷达或GPS应用中,在时域中指定短期稳定性更有意义.通常需要将ã(f)转换为F(J).
相位噪声分析:
　　Leeson模型+4,+5可用于描述和分析相位噪声,它可以完整表示相位噪声的影响变量/十年(-f-3)是由石英谐振器引起的.相位噪声与1/Q2成正比,这就是为什么相对于石英质量Q(石英的闲置质量)而言,尽可能高的工作质量QB非常重要的原因.如果需要,必须对石英进行优化或选择,在质量带宽的一半以外的区域,相位噪声由振荡器电路确定.还有来自稳压器的噪声和工作电压的低频阻塞,噪声本底受到25/C时-174dBm/1Hz的热噪声本底的限制,如果将频率乘以N,则相位噪声将增加20lgN(dB)在Leeson模型中由公式(公式14)描述.

Leeson相位噪声模型

　　当石英振荡器的反馈回路分离时,振荡器电路由放大器和石英谐振器组成.对于该电路(图7.10A),我们发现靠近载波的1/f噪声(闪烁噪声).1/f噪声被频率为f“的白噪声掩盖.白噪声取决于增益G(在放大器的输出功率P0上找到的噪声系数).当反馈环路关闭时(图7.10B),1/f范围转换为1/f3行为,这还会创建一个具有/f2特性的过渡范围,直到质量带宽µ1/2/2QB=fJ的一半的频率为止.白噪声仍保持在频率fJ之外.相位波动SN(f)的整体特性可以使用Leeson公式描述:
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设计注意事项:
　　对于相位噪声低的振荡器,石英负载应相对较高.这与良好的长期稳定性相矛盾.较好的折衷方案通常是在100至500:W左右的石英负载.对于石英振荡器,不应使用具有高直流增益hFE和低基极电阻rbb的晶体管,且传输频率不能过高.由于相位噪声在载波周围的频率间隔为几赫兹到几千赫兹,因此晶体管噪声的低频范围至关重要.因此,具有足够高的转换频率($5@f0)的低噪声,低频晶体管比RF晶体管更适合.在双极晶体管中,噪声主要由基极-发射极路径决定.
　　PNP晶体管通常比NPN晶体管具有更低的噪声.MOSFET噪声非常强,在较低频率下,1/f噪声占主导地位,与双极晶体管和MOSFET晶体管相比,结FET噪声最少.GaAs-FET在高工作频率下噪声低,但在低频范围内噪声很大.简单的SPXO晶体振荡器级通常具有两个功能:第一,放大以激发振动并保持反馈条件的功能;第二,通过减小高振幅(饱和)的放大来限制最大振幅.
　　由于限制器功能,晶体管的工作点以及反馈支路中可能还有其他幅度相关组件会发生变化.由于非线性限制,与纯正弦波振荡相比,相位位置会不断变化,并且由于阻抗的非线性,乘法混频(调制)会引起边带噪声.为了避免限制失真,必须将振荡器放大器和振幅限制这两个功能分开(外部限制).此外,有源级应具有强大的RF负反馈,以确保较大的线性动态范围.
　　必须注意确保振荡器范围内的RF幅度不超出所涉及组件的线性范围通常可以在电路中更好地调节较高的谐振电阻.在对高质量的需求下,这导致较小的动态电容C1,这通常是由泛音石英晶振实现的.
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