怎樣定義振蕩器相位噪聲的實用性?
來源:http://diker.cn 作者:金洛鑫電子 2019年02月22
石英晶體振蕩器是比較常見的一種電子元器件,屬于頻率控制元件類目,比普通的石英晶體具有更大更多的優(yōu)勢,常用于要求比較高的產(chǎn)品身上,現(xiàn)在生產(chǎn)的振蕩器基本上都是低電壓的,電壓值范圍在+1.8V~+5.0V之間,+1.8V和+3.3V是最常用的。值得一提的是,26.000MHz溫補晶振的+1.8V~+3.3V可以通用,可以適用于更多的產(chǎn)品,通過通信類,網(wǎng)絡(luò)類,工業(yè)類,軍用類設(shè)備都是要用到晶體振蕩器的。
現(xiàn)代電子產(chǎn)品使用時基來進(jìn)行各種應(yīng)用。通訊系統(tǒng)依靠時間基準(zhǔn)來調(diào)制和解調(diào)數(shù)據(jù),GPS系統(tǒng)依賴于它們準(zhǔn)確定位,許多其他應(yīng)用程序依靠時間基礎(chǔ)來管理流程他們系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)。隨著應(yīng)用范圍的擴大和頻率的增加,設(shè)計人員需要時間基礎(chǔ)穩(wěn)定性更高,噪音更低。因此,振蕩器設(shè)計人員需要不斷突破極限穩(wěn)定性高,振蕩器設(shè)計低噪音。 振蕩器設(shè)計者面臨的主要問題之一是相位噪聲現(xiàn)象。相位噪聲是一個在所有現(xiàn)實世界的Oscillator和信號發(fā)生器中存在的不期望的實體。它可能會導(dǎo)致失真或完全丟失傳統(tǒng)接收機中的輸入信息,以及相位調(diào)制應(yīng)用中的高誤碼率。因此,有必要理解和量化相位噪聲以使其產(chǎn)生影響更高級別的產(chǎn)品被最小化。
時間是人類天生就把握作為生活功能的一個概念。它將我們的世界定義為幾天,幾個月和年。當(dāng)我們看一個時鐘時,我們知道它是什么時候。但是,我們真的了解時間嗎?
以及如何定義?與所有測量一樣,時間的測量具有一定程度的不確定性。在工程應(yīng)用中,我們使用本質(zhì)上不完美的時基,并為應(yīng)用增加不確定性由他們驅(qū)動。這種不確定性的一個副產(chǎn)品是相位噪聲。存在固有的不穩(wěn)定性在每個有源貼片晶振中,它表現(xiàn)為圍繞振蕩器頻率的一系列噪聲。這個噪音通常從載波測量到距離載波1MHz的頻帶。它被描繪成一個圖表dBc/Hz與f(Hz)的關(guān)系,它表示在給定頻率下噪聲功率與載波功率相差多遠(yuǎn)。
以下內(nèi)容將表明相位噪聲是一個易于管理的問題。振蕩器設(shè)計師可以盡量減少振蕩器中的相位噪聲,使用振蕩器的系統(tǒng)設(shè)計人員可以更好地設(shè)計他們的系統(tǒng)選擇正確的振蕩器。外部噪聲和干擾會降低相位噪聲振蕩器的性能,工程師需要了解這些因素,以便它們的效果可以預(yù)期或避免。
時間基礎(chǔ)
作為工程師,我們習(xí)慣于查看頻率計數(shù)器并讀取顯示屏來確定顯示內(nèi)容我們經(jīng)營的頻率。但該測量的準(zhǔn)確度是多少?不確定性測量取決于計數(shù)器用于驅(qū)動其內(nèi)部電路的時基精度。這個時間基礎(chǔ)并不完美,因此會扭曲頻率讀數(shù)的結(jié)果。對于那些需要非常精確的頻率測量的應(yīng)用,這個時基的準(zhǔn)確性是最重要的。
與所有其他測量人員一樣,Tme具有不確定性。但是,時間最多人類生產(chǎn)的準(zhǔn)確標(biāo)準(zhǔn)。第二個定義為共振頻率銫133(Cs-133)為9,192,631,770赫茲[8]。
因此,通過測量銫的振動,我們有一個時間標(biāo)準(zhǔn)。NIST(國立研究所對于標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)而言,是美國時間標(biāo)準(zhǔn)的守護(hù)者。截至2005年NIST標(biāo)準(zhǔn)具有5X10-16秒的不確定性,這意味著它在60年內(nèi)既不會增加也不會損失一秒百萬年[9]。
盡管銫鐘具有準(zhǔn)確性,但它們有幾個缺點使它們不適合商業(yè)化電子產(chǎn)品。銫標(biāo)準(zhǔn)的成本過高,無法將其作為時間基準(zhǔn)。其次,他們很大。NIST標(biāo)準(zhǔn)填充了房間的很大一部分,雖然較小的銫標(biāo)準(zhǔn)可用,但它們不是便攜式物品。此外,銫標(biāo)準(zhǔn)具有預(yù)熱時間。保持通電是重要的是,因為權(quán)力中斷可能意味著準(zhǔn)確性的下降。最后,銫標(biāo)準(zhǔn)使用燃料-銫自然耗盡,使裝置有效“脫氣”。
由于銫不能有效地用于商業(yè)電子產(chǎn)品或大多數(shù)實驗室應(yīng)用,其他必須考慮時間源。銣提供極其精確的頻率計數(shù),類似于銫,但它遭受同樣的陷阱。銣標(biāo)準(zhǔn)僅比銫稍微精確,其成本高。它們不是便攜式設(shè)備,必須安裝在便攜式設(shè)備中固定的位置。銣標(biāo)準(zhǔn)物也具有與銫相同的燃料消耗問題。
大多數(shù)消費類電子產(chǎn)品的選擇是石英晶體振蕩器。石英通過壓電效應(yīng)。施加在晶體上的電壓使其以非常穩(wěn)定和可預(yù)測的方式振動辦法。通過切割和成形石英,可以獲得所需的振蕩頻率。石英有許多優(yōu)點:它便宜(與銫和銣相比),它很小(晶體可以是在包裝尺寸小于3.2mm×2.5mm的情況下獲得,并且它具有高Q(對于較大的坯料而言>500K)。這些幾十年來,特性使得石英成為計時設(shè)備的選擇。
石英晶體振蕩器
晶體振蕩器有多種類型,形狀和尺寸。XO(晶體振蕩器)是石英晶體驅(qū)動電路。這些裸骨時鐘價格便宜且體積小,但晶體的精度有限將在頻率上以大約+/-30ppm的頻率漂移。TCXO(溫補晶振)使用補償電壓來校正晶體自然溫度漂移。這是通過傳統(tǒng)的熱敏電阻網(wǎng)絡(luò)或多項式實現(xiàn)的發(fā)電機。TCXO在整個溫度范圍內(nèi)具有更嚴(yán)格的穩(wěn)定性(可以獲得+/-0.25ppm),并且很?。?.0mmx2.5mm可用),功耗低(在某些情況下為2mA)。
MCXO(微處理器控制晶體振蕩器)使用微處理器來校正晶體自然溫度漂移,通過檢測操作溫度并使用該數(shù)據(jù)來校正振蕩器的頻率。這些振蕩器可以在整個溫度范圍內(nèi)達(dá)到+/-0.1ppm的穩(wěn)定性,但具有占地面積稍大,消耗更多功率,并且由于噪聲特性而降低噪聲特性微處理器在振蕩器中運行。
OCXO(恒溫石英晶體振蕩器)和DOCXO(雙爐控制晶體振蕩器)提供石英晶體振蕩器必須提供的最大穩(wěn)定性。通過加熱在內(nèi)部電路中,晶體保持在幾乎恒定的溫度,幾乎消除了晶體的自然溫度漂移。零件在10-10溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性是可以實現(xiàn)的,但是在封裝尺寸的折衷下(它們的尺寸至少為1平方英寸),以及功耗(可能超過1A)。
盡管具有高Q值,但石英晶體振蕩器并不完美。理想情況下,正弦振蕩器會產(chǎn)生如公式1所示的電壓:
其中Vo是幅度,fo是頻率,t是時間。然而,現(xiàn)實世界的OSC振蕩器存在一些幅度波動和相位波動它們的行為與公式2[4]相同。
其中Vo是幅度,fo是頻率,t是時間,(t)是幅度波動,(t)是相位波動。振蕩器的頻率受幾個因素的影響:溫度,長期漂移和短期不穩(wěn)定。石英對溫度非常敏感,頻率通常在+/-30ppm之間漂移在晶體的溫度范圍內(nèi)。長期漂移,也稱為衰老,是一種自然現(xiàn)象石英,很好理解。老化特征定義為:
其中t是以天為單位的時間,A,B和fo是由最小二乘擬合確定的常數(shù)(按照MIL-PRF-55310D)[7]。 如圖1所示,石英的老化特性是隨時間減慢的函數(shù)。這個意味著振蕩器的頻率漂移會隨著時間的推移而減小。這是一個理想的選擇影響長期表現(xiàn)。振蕩器會漂移,但變化率會變化慢,振蕩器效果會變得更穩(wěn)定。短期穩(wěn)定性或艾倫方差(AVAR)是對短期頻率變化的測量振蕩器。通常,AVAR是相對于特定的門時間指定的。例如,一個20ms的門可以選擇時間并采集100個樣本并應(yīng)用于以下公式:
其中f(i)-f(i-1)是連續(xù)頻率之間的差測量(MIL-PRF-55310D)。[7]
結(jié)果讓我們感受到振蕩器在給定的門控時間讀取讀數(shù)的穩(wěn)定性。通過延長有源晶振的Allan方差減小的門時間,表明它在更長時間內(nèi)更穩(wěn)定平均周期。
抖動
從這個測量中我們可以看出振蕩器的瞬時頻率不是恒定的-它關(guān)于標(biāo)稱頻率略有不同,在任何給定點產(chǎn)生頻率的不確定性時間。該頻率變化可視為波形邊緣與理想值的時間變化標(biāo)稱頻率邊緣。邊緣的這種時間變化稱為抖動。圖2[1]說明了抖動對方波的影響。 圖2:抖動的時域表示。[1]
抖動可以在時域中測量,并以峰值到峰值時間變化表示邊緣。然而,這種方法在某些應(yīng)用中可能不是很有用,因為它們的變化邊緣來自整個頻帶,并夸大了它的大小抖動。大多數(shù)現(xiàn)實世界的應(yīng)用程序?qū)⒃谝欢l率范圍內(nèi)運行只需要在該頻段內(nèi)測量抖動效應(yīng)。有效地查看和測量抖動在特定頻段,必須進(jìn)行頻域轉(zhuǎn)換。
盡管幾十年前就開始研發(fā)了,可目前來說低抖動,低相位噪聲石英晶振仍然處于發(fā)展期,但這個模塊具有非常好的前景,擁有優(yōu)越的實用性。它的精度性高,穩(wěn)定性強,性能卓越,可靠性高,是Oscillator系列中,比較高端的一種性能。
現(xiàn)代電子產(chǎn)品使用時基來進(jìn)行各種應(yīng)用。通訊系統(tǒng)依靠時間基準(zhǔn)來調(diào)制和解調(diào)數(shù)據(jù),GPS系統(tǒng)依賴于它們準(zhǔn)確定位,許多其他應(yīng)用程序依靠時間基礎(chǔ)來管理流程他們系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)。隨著應(yīng)用范圍的擴大和頻率的增加,設(shè)計人員需要時間基礎(chǔ)穩(wěn)定性更高,噪音更低。因此,振蕩器設(shè)計人員需要不斷突破極限穩(wěn)定性高,振蕩器設(shè)計低噪音。 振蕩器設(shè)計者面臨的主要問題之一是相位噪聲現(xiàn)象。相位噪聲是一個在所有現(xiàn)實世界的Oscillator和信號發(fā)生器中存在的不期望的實體。它可能會導(dǎo)致失真或完全丟失傳統(tǒng)接收機中的輸入信息,以及相位調(diào)制應(yīng)用中的高誤碼率。因此,有必要理解和量化相位噪聲以使其產(chǎn)生影響更高級別的產(chǎn)品被最小化。
時間是人類天生就把握作為生活功能的一個概念。它將我們的世界定義為幾天,幾個月和年。當(dāng)我們看一個時鐘時,我們知道它是什么時候。但是,我們真的了解時間嗎?
以及如何定義?與所有測量一樣,時間的測量具有一定程度的不確定性。在工程應(yīng)用中,我們使用本質(zhì)上不完美的時基,并為應(yīng)用增加不確定性由他們驅(qū)動。這種不確定性的一個副產(chǎn)品是相位噪聲。存在固有的不穩(wěn)定性在每個有源貼片晶振中,它表現(xiàn)為圍繞振蕩器頻率的一系列噪聲。這個噪音通常從載波測量到距離載波1MHz的頻帶。它被描繪成一個圖表dBc/Hz與f(Hz)的關(guān)系,它表示在給定頻率下噪聲功率與載波功率相差多遠(yuǎn)。
以下內(nèi)容將表明相位噪聲是一個易于管理的問題。振蕩器設(shè)計師可以盡量減少振蕩器中的相位噪聲,使用振蕩器的系統(tǒng)設(shè)計人員可以更好地設(shè)計他們的系統(tǒng)選擇正確的振蕩器。外部噪聲和干擾會降低相位噪聲振蕩器的性能,工程師需要了解這些因素,以便它們的效果可以預(yù)期或避免。
時間基礎(chǔ)
作為工程師,我們習(xí)慣于查看頻率計數(shù)器并讀取顯示屏來確定顯示內(nèi)容我們經(jīng)營的頻率。但該測量的準(zhǔn)確度是多少?不確定性測量取決于計數(shù)器用于驅(qū)動其內(nèi)部電路的時基精度。這個時間基礎(chǔ)并不完美,因此會扭曲頻率讀數(shù)的結(jié)果。對于那些需要非常精確的頻率測量的應(yīng)用,這個時基的準(zhǔn)確性是最重要的。
與所有其他測量人員一樣,Tme具有不確定性。但是,時間最多人類生產(chǎn)的準(zhǔn)確標(biāo)準(zhǔn)。第二個定義為共振頻率銫133(Cs-133)為9,192,631,770赫茲[8]。
因此,通過測量銫的振動,我們有一個時間標(biāo)準(zhǔn)。NIST(國立研究所對于標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)而言,是美國時間標(biāo)準(zhǔn)的守護(hù)者。截至2005年NIST標(biāo)準(zhǔn)具有5X10-16秒的不確定性,這意味著它在60年內(nèi)既不會增加也不會損失一秒百萬年[9]。
盡管銫鐘具有準(zhǔn)確性,但它們有幾個缺點使它們不適合商業(yè)化電子產(chǎn)品。銫標(biāo)準(zhǔn)的成本過高,無法將其作為時間基準(zhǔn)。其次,他們很大。NIST標(biāo)準(zhǔn)填充了房間的很大一部分,雖然較小的銫標(biāo)準(zhǔn)可用,但它們不是便攜式物品。此外,銫標(biāo)準(zhǔn)具有預(yù)熱時間。保持通電是重要的是,因為權(quán)力中斷可能意味著準(zhǔn)確性的下降。最后,銫標(biāo)準(zhǔn)使用燃料-銫自然耗盡,使裝置有效“脫氣”。
由于銫不能有效地用于商業(yè)電子產(chǎn)品或大多數(shù)實驗室應(yīng)用,其他必須考慮時間源。銣提供極其精確的頻率計數(shù),類似于銫,但它遭受同樣的陷阱。銣標(biāo)準(zhǔn)僅比銫稍微精確,其成本高。它們不是便攜式設(shè)備,必須安裝在便攜式設(shè)備中固定的位置。銣標(biāo)準(zhǔn)物也具有與銫相同的燃料消耗問題。
大多數(shù)消費類電子產(chǎn)品的選擇是石英晶體振蕩器。石英通過壓電效應(yīng)。施加在晶體上的電壓使其以非常穩(wěn)定和可預(yù)測的方式振動辦法。通過切割和成形石英,可以獲得所需的振蕩頻率。石英有許多優(yōu)點:它便宜(與銫和銣相比),它很小(晶體可以是在包裝尺寸小于3.2mm×2.5mm的情況下獲得,并且它具有高Q(對于較大的坯料而言>500K)。這些幾十年來,特性使得石英成為計時設(shè)備的選擇。
石英晶體振蕩器
晶體振蕩器有多種類型,形狀和尺寸。XO(晶體振蕩器)是石英晶體驅(qū)動電路。這些裸骨時鐘價格便宜且體積小,但晶體的精度有限將在頻率上以大約+/-30ppm的頻率漂移。TCXO(溫補晶振)使用補償電壓來校正晶體自然溫度漂移。這是通過傳統(tǒng)的熱敏電阻網(wǎng)絡(luò)或多項式實現(xiàn)的發(fā)電機。TCXO在整個溫度范圍內(nèi)具有更嚴(yán)格的穩(wěn)定性(可以獲得+/-0.25ppm),并且很?。?.0mmx2.5mm可用),功耗低(在某些情況下為2mA)。
MCXO(微處理器控制晶體振蕩器)使用微處理器來校正晶體自然溫度漂移,通過檢測操作溫度并使用該數(shù)據(jù)來校正振蕩器的頻率。這些振蕩器可以在整個溫度范圍內(nèi)達(dá)到+/-0.1ppm的穩(wěn)定性,但具有占地面積稍大,消耗更多功率,并且由于噪聲特性而降低噪聲特性微處理器在振蕩器中運行。
OCXO(恒溫石英晶體振蕩器)和DOCXO(雙爐控制晶體振蕩器)提供石英晶體振蕩器必須提供的最大穩(wěn)定性。通過加熱在內(nèi)部電路中,晶體保持在幾乎恒定的溫度,幾乎消除了晶體的自然溫度漂移。零件在10-10溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性是可以實現(xiàn)的,但是在封裝尺寸的折衷下(它們的尺寸至少為1平方英寸),以及功耗(可能超過1A)。
盡管具有高Q值,但石英晶體振蕩器并不完美。理想情況下,正弦振蕩器會產(chǎn)生如公式1所示的電壓:
其中Vo是幅度,fo是頻率,t是時間。然而,現(xiàn)實世界的OSC振蕩器存在一些幅度波動和相位波動它們的行為與公式2[4]相同。
其中Vo是幅度,fo是頻率,t是時間,(t)是幅度波動,(t)是相位波動。振蕩器的頻率受幾個因素的影響:溫度,長期漂移和短期不穩(wěn)定。石英對溫度非常敏感,頻率通常在+/-30ppm之間漂移在晶體的溫度范圍內(nèi)。長期漂移,也稱為衰老,是一種自然現(xiàn)象石英,很好理解。老化特征定義為:
其中t是以天為單位的時間,A,B和fo是由最小二乘擬合確定的常數(shù)(按照MIL-PRF-55310D)[7]。 如圖1所示,石英的老化特性是隨時間減慢的函數(shù)。這個意味著振蕩器的頻率漂移會隨著時間的推移而減小。這是一個理想的選擇影響長期表現(xiàn)。振蕩器會漂移,但變化率會變化慢,振蕩器效果會變得更穩(wěn)定。短期穩(wěn)定性或艾倫方差(AVAR)是對短期頻率變化的測量振蕩器。通常,AVAR是相對于特定的門時間指定的。例如,一個20ms的門可以選擇時間并采集100個樣本并應(yīng)用于以下公式:
其中f(i)-f(i-1)是連續(xù)頻率之間的差測量(MIL-PRF-55310D)。[7]
結(jié)果讓我們感受到振蕩器在給定的門控時間讀取讀數(shù)的穩(wěn)定性。通過延長有源晶振的Allan方差減小的門時間,表明它在更長時間內(nèi)更穩(wěn)定平均周期。
抖動
從這個測量中我們可以看出振蕩器的瞬時頻率不是恒定的-它關(guān)于標(biāo)稱頻率略有不同,在任何給定點產(chǎn)生頻率的不確定性時間。該頻率變化可視為波形邊緣與理想值的時間變化標(biāo)稱頻率邊緣。邊緣的這種時間變化稱為抖動。圖2[1]說明了抖動對方波的影響。 圖2:抖動的時域表示。[1]
抖動可以在時域中測量,并以峰值到峰值時間變化表示邊緣。然而,這種方法在某些應(yīng)用中可能不是很有用,因為它們的變化邊緣來自整個頻帶,并夸大了它的大小抖動。大多數(shù)現(xiàn)實世界的應(yīng)用程序?qū)⒃谝欢l率范圍內(nèi)運行只需要在該頻段內(nèi)測量抖動效應(yīng)。有效地查看和測量抖動在特定頻段,必須進(jìn)行頻域轉(zhuǎn)換。
盡管幾十年前就開始研發(fā)了,可目前來說低抖動,低相位噪聲石英晶振仍然處于發(fā)展期,但這個模塊具有非常好的前景,擁有優(yōu)越的實用性。它的精度性高,穩(wěn)定性強,性能卓越,可靠性高,是Oscillator系列中,比較高端的一種性能。
正在載入評論數(shù)據(jù)...
相關(guān)資訊
- [2023-06-29]-40~+105°C時的6G貼片石英晶體...
- [2020-07-16]通信網(wǎng)絡(luò)時鐘系統(tǒng)7x5mm溫補晶振...
- [2020-07-06]時鐘網(wǎng)絡(luò)與OCXO振蕩器的階層級別...
- [2020-06-22]Jauch公司專門為導(dǎo)航開發(fā)的新TC...
- [2020-06-06]解鎖Statek振蕩器系列產(chǎn)品的品質(zhì)...
- [2020-05-28]VV-800系列VCXO晶體振蕩器的包裝...
- [2020-04-30]獨家推薦MEMS振蕩器應(yīng)用電機系統(tǒng)...
- [2020-04-25]海外各大元件供應(yīng)商紛紛停工,是...