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了解百利晶振相位噪声的终极指南

在许多高端通信应用中，通过消除相位噪声来保持电子射频电路中的强频率稳定性非常重要。对于雷达系统中的精确定位和其他通信系统中的频谱纯度尤其如此。

让我们深入了解相位噪声和抖动的确切含义。这将帮助您更好地了解为什么降低系统的相位噪声很重要。

什么是相位噪声？

相位噪声在波形的频域中表示，由相位（频率）的快速、短期、随机波动组成。这是由时域不稳定性（抖动）引起的。

确保不要将相位噪声与抖动混淆。抖动是一种描述时域中振荡器稳定性的方法。它将所有噪声源组合在一起，并显示它们对时间的影响。

用最简单的术语来说，相位噪声描述了频域中振荡器的稳定性，而抖动描述了时域中的稳定性。

干货不要错过:深入探讨晶体抖动性和相噪的发生机理.

晶体抖动性和相噪这两个性能是有源晶振所特有的功能特性,同时它们的大小也影响着振荡器的输出频率,一般情况下抖动性能越好(即抖动系数越小)那么输出频率就稳定,同理,对于相噪来说,相位噪声越小的情况下产品的输出频率信号就越稳定;是以许多厂家都寻觅优化它们的方法,并且低抖动,低相噪是未来产品的发展方向和目标之一.

一颗晶振有数十种性能,比如老化特性,相位噪声,频率衰减特性等等都是晶振产品所具备的性能特性,不过往往用户关心的性能就仅仅是频率,负载,频率容差,尺寸等较为基础的性能;当然,对于一些特殊用户来说,有时候工作温度也是较为关键的选型标准,像有源方面的就需要确定工作电压等参数,但是了解晶体单元的工作方式和温度频率特性也是相当有必要的,这样有助于更好的运用晶振产品.

相位噪声的度量是个技术活,但似乎也没想象中那么难

针对如何测量相位噪声这样的问题,文泽尔晶振就发布了相对应的文章,文中明确说到应该采用什么样的方式去测量相位噪声,以及相关的注意事项和逻辑分析.在该文中文泽尔晶振采用的低噪声放大器,当测量相位噪声时,相比较于50欧姆电阻来说,具有更低的输入噪声.

通常情况下,我们在了解一款有源晶振(石英晶体振荡器)的时候主要看那些参数呢?其实有源晶振的重要参数主要包括类别,振荡频率,电源电压,精度,相位噪声,抖动性能等等,不过我们在对其进行选型的时候主要关注的就是类别,精度,频率,电源电压这几种参数.在这之前我还没了解到过具备连续电源电压的石英晶体振荡器,这就是日蚀晶振公司旗下的EB19E2,EB49E2和EB59E2系列.

削顶正玄波(Clipped Sine Wave)是有源晶振输出方式的一种,相比方波的谐波分量少很多,但驱动能力较弱,在负载10K/10PF时Vp-p为0.8Vmin.通常为SMD7050,SMD5032,SMD3225等封装的表贴温补晶振使用的输出波形.当然,有源晶振还有CMOS,TTL,ECL,LVDS,正玄波等输出方式,这些输出逻辑方式也各有优缺点,至于如何利用它们我们却是不得而知.所以台湾泰艺晶振就推出了相关的技术支持文档,明确指出应当如何在电路设计中应用削顶正玄波.

差分输出即差动输出,是石英晶振产品的输出逻辑之一,并且还是有源晶振都有的特征;除去差分输出之外,还有CMOS,正玄波,削顶正玄波,TTL等多种逻辑输出方式,这些输出逻辑各有各的特点,比如CMOS输出逻辑的谐波分量就会很多,但是驱动功率比较大,而正玄波和削顶正玄波输出逻辑的谐波分量就比较少,但是驱动功率较小.而差分输出具备两个输出信号,相互正交,可降低相位噪声,在这款具有差分输出信号的普通石英晶体振荡器NP3225SBB发布之前,差分信号输出只应用于差分晶振至上.

晶体振荡器削波正弦波形输出

•截断的正弦波形最多TCXO晶体振荡器的流行输出选项.

-低功耗,改善散热性能特点更好的老化和频率稳定性能

-比CMOS输出有源晶体振荡器更好的相位噪声性能产量

使用Clipped正弦波形芯片组有输入缓冲器

•要将限幅波形转换为CMOS的方波信号,需要输入缓冲器.

•通常,IC将TCXO温补晶振的输出输入缓冲区.振荡器电路应具有与逆变器并联的RF反馈.

•如果IC没有Rf电阻输出引脚的逆变器.

在数字音频中,时钟频率的相位噪声会影响DAC的抖动功能,并导致声源的恶化,从而妨碍忠实的声音再现.因此,需要具有优异相位噪声特性(低抖动)的主时钟晶体振荡器以改善声音再现性.

相位噪声由远离石英晶体振荡器的原始频率测量的频率分量的电平表示.与参考频率的距离称为偏移频率,主要在1Hz至1MHz的范围内测量.

此外,频率稳定性通常被认为对晶体振荡器很重要,但频率稳定性意味着一种不会长时间波动的措施.音频设备在短期内需要的波动小于长期的稳定性.因此,频率稳定度约为±30ppm至±100ppm的SPXO晶振(*4)通常用作主时钟.对于高端数字音频,OCXO晶振(*5)可用于更高质量的声音.

Bliley Technologies是低相位噪声频率控制产品设计和制造的全球领导者,总部位于宾夕法尼亚州伊利市.自1930年以来Bliley晶振集团一直是私人拥有和经营的产品,85年来一直是高质量频率控制产品的稳定来源.Bliley研究和开发的技术是业内最具创新性,最高质量和最强大的设计.

2016年5月24日,宾夕法尼亚州伊利-高性能频率控制设备的领导者Bliley Technologies宣布推出世界上功耗最低的恒温振荡器LP102 OCXO.LP102恒温晶振在功耗仅为135mW的产品中具有出色的稳定性和相位噪声性能,是频率控制行业的一项重大创新.

Bliley推出世界上功耗最低的LP102 OCXO晶体振荡器,能够达到产品所需的最高性能,但是功耗小,具有高可靠使用性.LP102 OCXO恒温晶振,小型,高精度,低功耗,是工程技术的首选.

日本NDK开发了一种超小型9×7mm高精度OCXO(烤箱控制)晶体振荡器,用于基站应用5G,能够运行高达+95高温度,NDK开发适用于5G基站的+95℃高温OCXO晶振,产品型号命名为NH9070WC恒温晶振和NH9070WD恒温晶振.样品出货定于2019年7月,批量生产定于2019年12月.

近年来,需要高速和大容量无线电基站网络来支持该用途大容量内容,如图像和视频.为了实现超高速和大容量服务,5G移动网络需要安装大量小基站(小基站),以补充宏基站.这个小型基站安装在一个小空间内,例如建筑物内部或室外公用设施由于高密度安装,预计极和内部元件的温度会升高并受到影响由外部环境变化.因此,需要紧凑,高温兼容,高稳定性石英晶体振荡器,具有出色的相位噪声特性和良好的温度斜率特性*1,不易受温度变化的影响.

宾夕法尼亚州伊利-高性能频率控制设备的领导者Bliley Technologies推出的低地球轨道(LEO)卫星OCXO晶体振荡器产品线Iris系列.百利Iris系列OCXO晶振专为LEO轨道空间应用而设计,旨在对LEO轨道典型的总电离剂量和线性能量传递进行辐射耐受.

百利晶振集团推出的Lris系列具有Bliley晶振固有的高质量和稳定性,具有出色的相位噪声稳定性和g灵敏度,与传统的空间OCXO恒温振荡器相比,百利Iris系列OCXO晶振的低功耗和小尺寸使其成为小型LEO有效载荷的理想选择.

什么是相位噪声?相位噪声通常被测量为石英晶体振荡器内的频率稳定性.对于那些可能不熟悉的人来说,晶体振荡器基本上是产生和传输射频信号的主要部件,用于：雷达通信系统,微波系统,军事应用,还有更多的应用程序.

来自许多不同来源的振动,即使非常小的振动（微振动）,也会在石英晶体振荡器中引起相位噪声和抖动.这抑制了由振荡器产生的信号的质量和稳定性,因此使得装置的整体通信更加困难.除了直接振动之外,还有其他方法会产生相位噪声.

有源晶振,石英晶体振荡器的输出具有多种选择,不同的晶体振荡器输出信号类型有不同的优缺点,具体取决于您的产品应用.了解晶体振荡器输出信号类型是一件很有必要的事情,可以减少更多的衰减以及产品的时钟信号的絮乱.

有关石英晶体振荡器输出信号的优缺点对比介绍

差分与单端:

正弦波通常提供最佳的相位噪声,然后是CMOS然后差分

差分信号具有更好的上升和下降时间

差分信号更能抵抗共模噪声

差分对EMI的影响较小

石英晶振,晶体振荡器被广泛用于各行各业,而石英晶体振荡器是低相位噪声的高级选择,并且在电路设计中增加了频率稳定性.比如像电阻器-电容器（RC）或电感器（IC）-谐振器那样的简单振荡器对某些电路来说比较好.下面一起探索Bliley晶体振荡器电路低相位噪声的秘密.

我们都了解航天航空,军事应用都需要更高性能的应用,需要选择的是具有更高精密的晶体振荡器产品,以保持低相位噪声和高稳定性,否则会导致设计中心频率偏移的风险.晶振晶体在电路中的噪声过程导致中心频率偏离其期望值.频率漂移的其他原因包括温度,振动和g力的变化.频率信号中的这种不需要的噪声可以被测量为相位噪声.

如何测量晶体振荡器中的低相位噪声

能够测量和监控石英晶体振荡器,有源晶体振荡器中的相位噪声水平非常重要,因为它可能会因晶体老化或其他外部因素（如振动,温度和g力）而随时间变化.

在频域中测量相位噪声,并将其绘制为信号幅度与频率的关系.对于相当嘈杂的信号,可以在频谱分析仪上清楚地看到相位噪声. 然而,大多数有源晶体振荡器产生非常干净的信号.在这种情况下,分析仪本地振荡器的噪声高于被测振荡器的噪声......使得很难直接观察到相位噪声.现在必须实现提高测量过程的灵敏度.

测量相当干净的晶体振荡器信号中相位噪声的最常用方法是将一个振荡器与另一个振荡器进行比较.大多数商业相位噪声测量系统使用这种方法.

随着智能科技发展用到的温补晶振越来越多,如今市场上使用最多的温补晶振为3225,2520,2016小尺寸.NDK日本电波株式会社开发业界最优低相位噪声小型温补晶振,并且将在下半年开始供样发货.

NDK晶振集团开发了一种TCXO温度补偿晶体振荡器,型号命名为NT2016SJA晶振,尺寸2.0x1.6x0.7mm,可实现业界最高水平[A1] 的低相位噪声为-170dBc/Hz@100kHz偏移[A2] .内置直流切断电容器,将电容器(1,000pF)与电容器串联振荡器输出线.此款2016温补晶振将在2019年7月份开始提供样品发货,2020年1月份批量生产.

为了提高通信质量,采用多级调制和更大容量等5G和其他高速移动通信Wi-Fi6（IEEE802.11ax）和SONET/SDH(同步光网络/同步数字系列),NDK晶振集针对市场对于具有低相位噪声的NT2016SJA温补晶振需求预计将来会不断增加.

Crystek美国瑞斯克公司自成立以来,始终为各种领域提供频率产品,包括石英晶振,石英晶体振荡器,SMD晶振,XO时钟晶体振荡器,晶体滤波器,TCXO温补晶振,VCXO压控晶体振荡器以及石英晶体谐振器等.美国Crystek晶振公司总部位于佛罗里达州迈尔斯堡,如今销售代表分布世界各地,包括中国深圳地区的亿金电子.

2015年7月30日--Crystek公司推出CVHD-952晶振,一种新型超低相位噪声HCMOS压控晶体振荡器(VCXO晶振),提供-150dBc/Hz的典型本底噪声.美国瑞斯克超低相位HCMOS输出VCXO晶振,这种整体超低相位噪声转换为0.5psec（12kHz至80MHz）的典型相位抖动.

美国瑞斯克超低相位HCMOS输出VCXO晶振,型号CVHD-952有源晶振,采用9x14mm SMD封装,工作频率范围在131MHz至200MHz.输入电源电压为3.3Vdc,典型电流消耗为25mA.还可提供-40℃至+85℃的扩展工作温度范围.6脚贴片封装,可过高温回流焊接.

瑞斯克CVHD-952晶振,HCMOS输出,电压控制性能,瑞斯克VCXO晶振具有极低的相位噪声性能,是高清视频广播设备等应用的理想选择,具有低功耗,高精密,耐高温等特点.符合国际ROHS环保标准,并且是获得国际ISO9001以及ISO14001认证.

美国瑞斯克CVHD-952超低相位HCMOS输出VCXO晶振在美国制造,可联系亿金电子Crystek代理咨询选购0755-27876565.

在为现代电子应用选择石英晶体振荡器时,通常会有工程师由于相对较低的单位,热衷于选择便宜的COTS（“商业现货”）零件成本和交货时间,导致性能不佳.选择高可靠性振荡器是最安全的,比如Q-Tech晶振,晶体振荡器,最终是飞行应用的最具成本效益的选择.

Q-Tech晶振,Q-Tech晶体振荡器对于计时和精密应用的电气性能,以及相位噪声和抖动特性,可以显着改变电路的输出.

振荡器的相位噪声和抖动经常导致错误的相位检测.当使用相移键控（PSK）数字调制时,转换（即比特错误）.数字化例如,在使用8相PSK的通信中,最大相位容差为±22.5°,其中±7.5°是典型的允许载波噪声贡献.例如,由于相位偏差的统计性质,如果存在1.5°相位偏差的概率超过±7.5°相位偏差为6X10-7,这可能导致误码率在许多情况下显着应用.因此,有源晶振,晶体振荡器最小化相位噪声和抖动在现代中变得越来越重要

电路应用.对于石英晶体振荡器而言,相位噪声和抖动在很大程度上取决于晶体及其在振荡器内的设计和组装.水晶处理和专业知识,设计并不是普通振荡器所能提供的,而且需要专业的工程和制造,在Q-Tech晶振等高可靠性公司中找到.

这在使用开放式晶体的设计中尤其重要,而不是与封装的相比品种.Q-Tech晶振制造工艺拥有超过40年的产出历史用于最苛刻的应用,从高温井下到深空飞行.同样的制造和水晶设计团队负责监督Q-Tech的所有水晶操作,无论最终用途如何.

即便如此,设计工程也起着重要作用,因为冲击和振动可以产生,即使在“低噪声”晶体振荡器中也存在较大的相位偏差.而且,当一个频率振荡器乘以N,相位偏差也乘以N.例如,相位偏差为10-3,10MHz时的弧度在10GHz时变为1弧度.这种大相位偏移可以对系统的性能是灾难性的,例如那些依赖于锁相环的系统（PLL）或相移键控（PSK）.低噪声,加速度不敏感的振荡器是必不可少的这样的应用.Q-Tech晶振根据封装使用各种晶体安装选项

和每个振荡器的应用：

-TO/w/3镍夹具焊接

-支柱上带3点式安装的DIP封装（用于QT1-QT3系列）

-扁平包装和DIP包装,带有3或4点郁金香夹子安装（30年以上太空遗产）

-带4点桥接安装的SMD封装贴片晶振

-带4点“相框”安装座的LCC

-5x7mm陶瓷封装,带有2或4点LedgeMount,安装在陶瓷架上

-包装Q-Tech晶振4点式安装选项

值得注意的是,对于高冲击应用,Q-Tech晶振的4-pt安装选项已得到证实,远远优于商用振荡器提供的任何其他安装,特别是小型5x7mm封装贴片晶振,大多数现货晶振产品使用简单的2点安装.

Q-Tech晶体振荡器是苛刻环境的安全选择,因为它们是为这些环境设计,构造和测试,目的是制造100％可靠的产品适用于故障昂贵或危及生命的情况.石英晶体振荡器是设计用于-55°C至+125°C的工作温度,从石英晶振元件开始包括电路.从石英棒切割晶体的角度进行了优化,确切的温度范围.虽然COTS时钟可以在-55°C下工作,但是如果它们打开的话在室温下随后冷却至-55℃,已知它们存在问题在-55°C或其他低温下开启时启动（冷启动问题）.Q-Tech的晶体振荡器不易受冷启动问题的影响.

商用振荡器的驱动电平依赖性也可能成为高可靠性应用的问题.Q-Tech晶振通过定制配对晶体来缓解这一潜在问题设计IC的每个设计的参数,也防止冷启动问题前面提到的.

活动下降是晶体电阻的相对突然增加（扰动）,石英晶体系列电阻随温度变化.一般来说,活动下降是由一个人引起的石英晶振晶体中的干涉振动模式（耦合模式）.这些模式从中汲取能量主要模式.因此,一旦耦合模式的频率与主模式的频率一致,耦合模式就会急剧增加主模式的电阻.这些干扰模式实际上是低频弯曲的高泛音（高达第50泛音）模式.由于非常陡峭的温度系数约为-20ppm/°C,它们只与之一致主模式频率适用于相当窄的温度范围.然而,如果没有设计出来,耦合模式将导致活动下降.这些是通常温度相当窄（大约5到30°C宽）,对于给定的设计,活动下降将倾向于大约相同的温度范围.因为耦合模式是基于石英的,所以导致任何活动下降随时间和温度变得非常可重复.请参阅下面的示例.

耦合模式的影响程度可以从轻微到灾难到间歇性,取决于干扰模式的强度和应用的敏感程度是Q-Tech晶体振荡器输出电平的变化（频率偏移约为2到20ppm）.活动下降可以导致无数系统问题,甚至可能失去锁相.活动下降的另一个原因是粘附在晶振晶体有效区域上或附近的粒子.这种类型的活动下降可以改变随着时间,温度和时间.这些都会受到粒子成为影响脱离晶体表面或移动到另一个位置.这种立场改变可以因此有可能导致下降趋于好转,恶化或暂时消失重新浮出水面.在Q-Tech晶振,我们有能力设计潜在的活动下降和在我们的温度测试程序中筛选它们作为高可靠性设计方法的一部分和建设.下一篇文章中我们将介绍Q-Tech晶体振荡器的制造和筛选,欢迎关注亿金电子晶振技术资料.