干货分享｜晶体振荡器中的相位噪声和抖动

相位噪声

相位噪声是描述频域振荡器稳定的一种方法。它可以区分随机(随机)噪声和诱导/重复(确定性)噪声。频域显示振荡器输出的频谱(频率)内容在给定的频率范围内是什么样的。在这个领域，我们使用一个频谱分析仪来观察振荡器的输出(图1)。

图1

抖动

抖动是描述时域中振荡器的稳定性的一种方法。它将所有的噪声源聚集在一起，并显示出它们对时间的影响。时域显示你的振子的输出在一个显示的时间段内是什么样的。在这个领域中，我们使用一个示波器来观察振荡器的输出(图2)。

图2

理解相位噪声需要了解光谱密度的概念。

想象一个不可能建立带以下属性的带通滤波器(图3)。

图3

1)通过频带增益=1

2)停止频带衰减=无限大

3)通频带宽度=1Hz

4)到止带的垂直边

5)可调的中心频率在1Hz的台阶上

把这个过滤器应用到你正在测量的信号上，从一个频率开始，在1Hz的fstop上完成。在每一个步骤中，用一个功率计和图上的图表来测量输出功率电平(图4)。

图4

你正在测量的是：

信号功率谱密度在瓦茨每赫兹带宽

把这个过滤器应用到一个振荡器上，fstart的频率高于振荡器频率Fosc(图5)，然后我们就测量了每赫兹带宽的单边带(即上端带)信号功率谱密度。用“噪声”代替“信号”(因为在Fosc中任何东西都不能被认为是噪音)，在dBW(10log(瓦特)由于巨大的动态范围)工作，然后，查找其他的单词，意思是我们测量的是在dbw/hz的SSB噪声密度。

图5

如果振荡器是一种稳定的晶体振荡器然后看输出在一个示波器触发上升边看看下一个前沿我们将看到稍微紧张的波形(图6)。提供这种抖动非常远小于一个完整周期(如图6所示),我们可以说它是由阶段波动(而不是频率波动)。用“噪声”来代替“波动”这个词，并将其与频谱分析仪(图5)的观点联系起来，然后SSB的噪声密度实际上是相位噪声。

图6

如图7所示，这导致了经典的相位噪声的定义为功率比:-

L(f)=单1赫兹的功率密度/总信号功率

图7

在dBc中表示(dB从载波中向下)

图8是一个真实的13.0mhz晶体振荡器的相位噪声图。

图8

通过将实相噪声图的斜率与图9的理想相位噪声图相匹配，可以对其进行分析。

对于这个特定的情节:-

缓冲阶段的闪烁角 ~ 5 kHz

晶体负载Q ~ 170 Hz (Q ~ 38k)

振荡器晶体管闪烁角 ~ 12 Hz

随机走 ~ 0.1 Hz（外推）

图9

相位噪声的原因可以被描述为:

白相热噪声(约翰逊噪音)，即kT缓冲放大器的噪音、电阻噪声和Shott的噪音。

闪烁相位粉红噪声(每10年频率相等)，主要是缓冲放大器的闪烁噪声。

白噪声载波噪声，主要是晶体RLC噪声。

闪烁的FREQ互调(载波噪声)

闪烁阶段(晶体管噪音)特别是在振荡器回路中。

随机漫步在石英和电极结构内的固有噪声源。环境变化可能造成的外部影响，如机械震动、振动、温度变化等。

在电压方面，记住相位噪声图是在dB的电源下从载波中，所以每-10 dBC的电压是0。316(10)。这意味着，对于一个有噪音地板的3v CMOS输出振荡器来说，噪音地板电压只有104nV(纳米伏特)pk/pk。