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有源晶體振蕩器中的相位噪聲/抖動(dòng)
在介紹有源晶體振蕩器中相位噪聲/抖動(dòng)的來(lái)源之前，我們需要揭開與測(cè)量相關(guān)的一些措辭的神秘面紗，因此讓我們從相位噪聲和抖動(dòng)的簡(jiǎn)單描述開始。
相位噪聲 是一種描述振蕩器在頻域中穩(wěn)定性的方法。它可以區(qū)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(nèi)容在給定頻率范圍內(nèi)的外觀。在這個(gè)域中，我們使用 Spectrum Analyzer（頻譜分析器）來(lái)查看振蕩器的輸出（圖 1）。
抖動(dòng)是一種描述振蕩器在時(shí)域中穩(wěn)定性的方法。它將所有噪聲源集中在一起，并顯示它們對(duì)時(shí)間的影響。Time Domain （時(shí)域） 顯示OSC晶振的輸出在顯示的時(shí)間段內(nèi)的情況。在這個(gè)域中，我們使用示波器來(lái)查看振蕩器的輸出（圖 2）。
了解 Phase Noise 需要了解 Spectral Density 的概念。
想象一個(gè)不可能構(gòu)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(wú)限
3、通帶寬度 = 1 Hz
4、阻帶垂直側(cè)
5、可調(diào)諧中心頻率，步長(zhǎng)為 1 Hz
將此濾波器應(yīng)用于您正在測(cè)量的信號(hào)，從頻率 fstart 開始，以 1Hz 的步長(zhǎng)結(jié)束。在每個(gè)步驟中，使用功率計(jì)測(cè)量濾波器的輸出功率水平，并在圖表上繪制（圖 4）。
信號(hào)功率譜密度（以瓦特/Hz 帶寬為單位）
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(diào)，特別是在振蕩器回路內(nèi)。
5、RANDOM WALK 石英和電極結(jié)構(gòu)中的固有噪聲源。環(huán)境變化可能引起的外部影響，例如機(jī)械沖擊、振動(dòng)、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(huì)影響 Oscillators 的 Phase Noise 性能。這些因素包括電源噪聲、循環(huán)接地電流、控制電壓線上的噪聲、不斷變化的負(fù)載條件、機(jī)械振動(dòng)和電磁干擾等等。
在電壓方面，請(qǐng)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(duì)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。
相位噪聲 是一種描述振蕩器在頻域中穩(wěn)定性的方法。它可以區(qū)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(nèi)容在給定頻率范圍內(nèi)的外觀。在這個(gè)域中，我們使用 Spectrum Analyzer（頻譜分析器）來(lái)查看振蕩器的輸出（圖 1）。
抖動(dòng)是一種描述振蕩器在時(shí)域中穩(wěn)定性的方法。它將所有噪聲源集中在一起，并顯示它們對(duì)時(shí)間的影響。Time Domain （時(shí)域） 顯示OSC晶振的輸出在顯示的時(shí)間段內(nèi)的情況。在這個(gè)域中，我們使用示波器來(lái)查看振蕩器的輸出（圖 2）。
了解 Phase Noise 需要了解 Spectral Density 的概念。
想象一個(gè)不可能構(gòu)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(wú)限
3、通帶寬度 = 1 Hz
4、阻帶垂直側(cè)
5、可調(diào)諧中心頻率，步長(zhǎng)為 1 Hz
將此濾波器應(yīng)用于您正在測(cè)量的信號(hào)，從頻率 fstart 開始，以 1Hz 的步長(zhǎng)結(jié)束。在每個(gè)步驟中，使用功率計(jì)測(cè)量濾波器的輸出功率水平，并在圖表上繪制（圖 4）。
信號(hào)功率譜密度（以瓦特/Hz 帶寬為單位）
將此濾波器應(yīng)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(cè)量單側(cè)帶（即上側(cè)帶）信號(hào)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?yàn)?Fosc 以上且與諧波無(wú)關(guān)的任何內(nèi)容都可以被視為噪聲）并以 dBW（10log（瓦特））工作，因?yàn)閯?dòng)態(tài)范圍大），然后，去掉其他一些詞，意味著我們正在測(cè)量的是：-SSB 噪聲密度，單位為 dBW/Hz
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(diào)，特別是在振蕩器回路內(nèi)。
5、RANDOM WALK 石英和電極結(jié)構(gòu)中的固有噪聲源。環(huán)境變化可能引起的外部影響，例如機(jī)械沖擊、振動(dòng)、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(huì)影響 Oscillators 的 Phase Noise 性能。這些因素包括電源噪聲、循環(huán)接地電流、控制電壓線上的噪聲、不斷變化的負(fù)載條件、機(jī)械振動(dòng)和電磁干擾等等。
在電壓方面，請(qǐng)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(duì)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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【本文標(biāo)簽】：振蕩器 抖動(dòng) 相位噪聲 濾波器
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