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有源晶體振蕩器中的相位噪聲/抖動

2024-12-19 10:02:20 

在介紹有源晶體振蕩器中相位噪聲/抖動的來源之前,我們需要揭開與測量相關的一些措辭的神秘面紗,因此讓我們從相位噪聲和抖動的簡單描述開始。

位噪聲 是一種描述振蕩器在頻域中穩定性的方法。它可以區分 Random (Stochastic) 噪聲和 Induced/Rerepeatitive (Deterministic) 噪聲。Frequency Domain(頻域)顯示振蕩器輸出的頻譜(頻率)內容在給定頻率范圍內的外觀。在這個域中,我們使用 Spectrum Analyzer(頻譜分析器)來查看振蕩器的輸出(圖 1)。
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是一種描述振蕩器在時域中穩定性的方法。它將所有噪聲源集中在一起,并顯示它們對時間的影響。Time Domain (時域) 顯示OSC晶振的輸出在顯示的時間段內的情況。在這個域中,我們使用示波器來查看振蕩器的輸出(圖 2)。

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了解 Phase Noise 需要了解 Spectral Density 的概念。

想象一個不可能構建的帶通濾波器,具有以下屬性(圖 3)。
1、通帶增益 = 1
2、阻帶衰減 = 無限
3、通帶寬度 = 1 Hz
4、阻帶垂直側
5、可調諧中心頻率,步長為 1 Hz

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將此濾波應用于您正在測量的信號,從頻率 fstart 開始,以 1Hz 的步長結束。在每個步驟中,使用功率計測量濾波器的輸出功率水平,并在圖表上繪制(圖 4)。

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信號功率譜密度(以瓦特/Hz 帶寬為單位)

將此濾波器應用于振蕩器,其中 fstart 剛好高于振蕩器頻率 Fosc(圖 5),然后我們測量單側帶(即上側帶)信號功率譜密度,以瓦特/赫茲帶寬為單位。將 Signal 一詞替換為 Noise 一詞(因為 Fosc 以上且與諧波無關的任何內容都可以被視為噪聲)并以 dBW(10log(瓦特))工作,因為動態范圍大),然后,去掉其他一些詞,意味著我們正在測量的是:-SSB 噪聲密度,單位為 dBW/Hz

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如果振蕩器是一個穩定的晶體振蕩器,那么查看示波器上的輸出,我們在上升沿觸發,然后查看下一個上升沿,我們將看到一個略微“抖動”的波形(圖 6)。如果這個抖動比一個完整的周期小得多(如圖 6 所示),我們可以說它是由相位波動(而不是頻率波動)引起的。將 Fluctuations 一詞替換為 Noise 一詞,并將其與 Spectrum Analyser 上的視圖聯系起來(圖 5),然后SSB 噪聲密度實際上是相位噪聲。

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其中,相位噪聲的原因可以用

1、WHITE PHASE 熱噪聲(約翰遜噪聲),即 kT 緩沖放大器噪聲、電阻器噪聲和 Shott 噪聲。
2、FLICKER PHASE 粉紅噪聲(每十倍頻程的功率相等),即主要是緩沖放大器的閃爍噪聲。
3、WHITE FREQ 載波噪聲,即主要是晶體 RLC 噪聲。
4、FLICKER FREQ 白分頻 (載波噪聲) 和 FLICKERPHASE (晶體管噪聲) 的互調,特別是在振蕩器回路內。
5、RANDOM WALK 石英和電極結構中的固有噪聲源。環境變化可能引起的外部影響,例如機械沖擊、振動、溫度變化等。

這些都是 Crystal Oscilator 固有的 Phase Noise 源,還有其他外部影響會影響 Oscillators 的 Phase Noise 性能。這些因素包括電源噪聲、循環接地電流、控制電壓線上的噪聲、不斷變化的負載條件、機械振動和電磁干擾等等。

在電壓方面,請記住,相位噪聲圖以載波的功率 dB 為單位,因此每 -10 dBC 將電壓除以 0.316 (√10)。這意味著對于本底噪聲為 –150dBC 的 3.3V CMOS 輸出振蕩器,本底噪聲電壓僅為 104nV(納伏)峰/包。

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