不同類型晶振相位噪聲的特點分析

有源晶振常見的類型為普通晶振XO，溫補晶振TCXO，恒溫晶振OCXO，他們之間直觀的不同，就是頻率精度要求越來越高，XO為±20～50ppm、TCXO為±0.1～5ppm、 OCXO為±10～幾百ppB；同比它們除了精度的要求不同外，有時還需要關(guān)注另外一個非常重要的參數(shù)，那就是相位噪聲。以下就以100MHZ晶振為例，分析不同條件下，他們的相位噪聲表現(xiàn)。

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3種晶體：AT切3次泛音、AT切5次泛音、SC切5次泛音。前一種通常用來制作溫補晶振XO和TCXO，后2種用來制作恒溫晶振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(nèi)（-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(shè)計的5次泛音的晶體比3次泛音的晶體Q值更高，相噪、老化、穩(wěn)定度都會更好，更適合做恒溫晶振。

為了試驗晶體的Q值與相位噪聲之間的關(guān)系，選擇了100M晶振的3種晶體進行試驗。

3種晶體如下：

A.AT切3次泛音，Q值約為50K。

B.AT切5次泛音，Q值約為90K。

C.SC切5次泛音，Q值約為130K。

電路的基本結(jié)構(gòu)相同，但有一些變化。

晶體A沒有加恒溫電路，電源供電為5V，主振級使用4V的穩(wěn)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(wěn)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(wěn)壓電壓。

輸出幅度都在9dBm左右。

測試相噪結(jié)果如下：

一． 先看遠端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2點：

2.1. 晶體A的電路沒有恒溫，熱噪聲較低。

2.2. 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． 再來看近端10HZ處的相噪：

幾種晶體沒有太大的區(qū)別，恒溫和非恒溫也沒有什么區(qū)別。

一般上理論認為，晶振的相位噪聲，近端取決于晶體，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(xiàn)，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值晶體的效果沒有得到發(fā)揮。

2.晶體的有載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。

總結(jié)來說，在低噪聲晶振的設(shè)計中，電路是非常重要的環(huán)節(jié)，振蕩電路應(yīng)該要使晶體的有載Q值不致下降很多，并且電路附加的噪聲要足夠小。一般性的設(shè)計中，不必一味追求晶體的高Q值（對老化率有要求的除外），用低成本的晶體加上設(shè)計良好的電路也能得到不錯的相位噪聲水平。