美國(guó)Greenray Industries, Inc.公司成立了60多年，在設(shè)計(jì)和制造低相位噪聲晶體振蕩器方面，有充足的經(jīng)驗(yàn)和理論性知識(shí)。Greenray晶振成功研發(fā)出許多款帶有低相位噪聲，低相位抖動(dòng)的OCXO晶振和TCXO晶振系列產(chǎn)品，是目前頻率控制元器件行業(yè)里，比較具有潛力的模塊，它們應(yīng)用的產(chǎn)品范圍廣泛，而且擁有較高的穩(wěn)定性，Greenray Oscillator符合國(guó)防和航空航天工業(yè)的必備標(biāo)準(zhǔn)，工廠通過(guò)ISO9001系列認(rèn)證，每一顆晶振都在賓夕法尼亞州總部進(jìn)行開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)，測(cè)試，組裝和生產(chǎn)。

相位噪聲：

這種到頻域的轉(zhuǎn)換導(dǎo)致稱為相位噪聲的測(cè)量。表達(dá)了作為功率與頻率的關(guān)系圖。要了解這種測(cè)量抖動(dòng)與相位噪聲的轉(zhuǎn)換必須探索。測(cè)量抖動(dòng)的一種方法是根據(jù)公式5[5]測(cè)量每個(gè)周期與平均周期的方差。

然后可以使用該RMS周期抖動(dòng)來(lái)計(jì)算給定頻率下的相位噪聲，如可以看到的在等式6中。

其中ƒosc是石英振蕩器的頻率，ƒ是遠(yuǎn)離載波的頻率[5]該計(jì)算可以在許多離散頻率下完成并編譯成圖形形式。該以上公式[5,6]假設(shè)沒(méi)有1/f噪聲或突發(fā)噪聲[5]。在現(xiàn)實(shí)世界中的振蕩器這些噪聲源存在，將在下面討論。

如果我們考慮現(xiàn)實(shí)世界的組件和這些電路中產(chǎn)生的噪聲，那么相位噪聲計(jì)算變得更加復(fù)雜。Leeson方程如下面的等式7所示讓我們了解電路噪聲和電路元件如何影響相位噪聲測(cè)量[6]。

其中Q1是電路的負(fù)載Q，ƒm是來(lái)自載波的頻率，ƒc是閃爍噪聲轉(zhuǎn)角頻率，ƒo是載波（振蕩器）頻率，T是以開(kāi)爾文為單位的溫度，Pavs是通過(guò)石英晶體諧振器的功率，F(xiàn)是有源器件的噪聲因子，k是玻爾茲曼常數(shù)。

圖3（下一頁(yè)）顯示了該等式如何適合相位噪聲圖。可以看出，關(guān)閉在載波中，閃爍噪聲在曲線中占主導(dǎo)地位，并具有轉(zhuǎn)角頻率的截止頻率有源設(shè)備。相位噪聲圖的中間部分遵循Leeson方程，是加載Q，噪聲系數(shù)，功率和溫度的組合[6]。對(duì)于高于ƒo/（2Ql）地板由噪聲系數(shù)，溫度和功率決定。

圖3：顯示決定因素的相位噪聲圖[6]

從這個(gè)圖中可以很容易地找到用于最小化振蕩器中的相位噪聲的引導(dǎo)線設(shè)計(jì)。使用低閃爍噪音的設(shè)備。由于9dB/倍頻程部分以此數(shù)量為主，減少電路閃爍噪聲是一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題。BJT具有比FET低得多的閃爍噪聲，使其更適合低相位噪聲應(yīng)用。6dB/octave部分意味著Q的電路越高，噪聲因子和功率就越大。如下所述，OCXO使用的Qs比TCXO晶振高。更高的驅(qū)動(dòng)功率也是可取的，因?yàn)槟菢酉辔辉肼暬椎尿?qū)動(dòng)因子（頻率高于ƒo/（2Ql））。這需要權(quán)衡因?yàn)檩^高的驅(qū)動(dòng)電平通常會(huì)導(dǎo)致一些相位噪聲降低接近載波。

相位噪聲測(cè)量：

測(cè)量相位噪聲并非易事。大多數(shù)頻譜分析儀沒(méi)有直接測(cè)量石英晶體振蕩器相位噪聲的分辨率。圖4顯示了相位的正常配置噪音測(cè)試。與被測(cè)振蕩器頻率相同的“理想”源被混合振蕩器。這產(chǎn)生了這兩種信號(hào)的產(chǎn)物以及差異。使用低通過(guò)濾波器，產(chǎn)品被剝離，只留下差異，這將是振蕩器噪聲，如果“理想”源與振蕩器的頻率完全相同。

圖4.相位噪聲設(shè)置[2]

然后可以通過(guò)頻譜分析儀測(cè)量得到的噪聲信號(hào)并以圖形方式顯示形成dBc/Hz與Hz的關(guān)系圖。這張圖表顯示了我們?cè)诠β史矫娴脑胍艟嚯x（at每個(gè)特定頻率）低于載波（振蕩器所需的信號(hào)）。圖5和圖6（下面）是典型的相位噪聲測(cè)量圖。圖5顯示了一個(gè)OCXO晶振（2平方英寸）封裝）圖的底板約為-170dBc，10Hz的性能約為-130dBc。圖6描繪了5mmx7mmTCXO的相位噪聲性能，其底值約為-155dBc并且10HZ的性能約為-90dBc。

圖5.GreenrayIndustriesYH1321-4OCXO相位噪聲性能

圖6.GreenrayIndustriesT75TCXO相位噪聲性能

OCXO相位噪聲性能通常比TCXO好得多。這是由于幾個(gè)原因因素。OCXO本質(zhì)上比TCXO更穩(wěn)定，從而提高了相位噪聲性能。這是因?yàn)镺CXO中的晶體在TCXO的晶體處是熱穩(wěn)定的感受到環(huán)境的變化，即使有那些環(huán)境的補(bǔ)償溫度變化遠(yuǎn)不及OCXO那么穩(wěn)定。

其次，OCXO恒溫晶體振蕩器使用與TCXO不同的晶體切割，因此具有更高的Q.一個(gè)TCXO的晶體Q是大約30,000-40,000，其中SC切割的烤箱晶體可能具有接近1,000,000的Q值。這個(gè)更高的Q直接有助于改善振蕩器中的相位噪聲。

最后，TCXO振蕩器設(shè)計(jì)得更小，功耗更低。這意味著大部分它們是使用FET而不是BJT構(gòu)建的。FET具有高得多的固有閃爍噪聲，這使振蕩器的相位噪聲特性惡化。為穩(wěn)定性而設(shè)計(jì)的干燥單元使用BJT降低噪聲規(guī)格，進(jìn)而改善相位噪聲性能。

測(cè)量缺陷：

這個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的一個(gè)問(wèn)題是你正在測(cè)試被測(cè)振蕩器“理想，無(wú)噪音”的振蕩器。由于沒(méi)有這樣的真實(shí)世界設(shè)備，你必須將它與某些東西混合你知道比被測(cè)單位要好得多，并且假設(shè)'參考'沒(méi)有注入噪音。另一個(gè)選項(xiàng)是混合對(duì)應(yīng)于被測(cè)單位的東西，并假設(shè)平等貢獻(xiàn)來(lái)自兩個(gè)振蕩器。這兩種方法本質(zhì)上都存在缺陷。通過(guò)混合更好的東西你假設(shè)參考沒(méi)有退化。

如果你的參考效果要好10倍，那么效果最小，但你的效果仍然會(huì)下降測(cè)量。通過(guò)混合相等的源并假設(shè)相同的貢獻(xiàn)，您可以向目標(biāo)添加3dB，這允許您接受真正超出預(yù)期規(guī)格的結(jié)果，因?yàn)橛辛硪粋€(gè)噪音源。但是，你怎么知道他們是平等的，事實(shí)上他們大多數(shù)時(shí)候都是平等的不平等。一個(gè)源將具有比另一個(gè)更好的噪聲特性，這會(huì)產(chǎn)生模糊的數(shù)據(jù)。

事實(shí)上，如果選擇作為“參考”的單位最終成為一個(gè)相對(duì)干凈的來(lái)源，并且你假設(shè)平等的貢獻(xiàn)，你可能會(huì)接受實(shí)際上失敗的結(jié)果，但你無(wú)法知道。

外部噪音/干擾：

除了電路特性，測(cè)量假設(shè)和隨機(jī)晶體波動(dòng)之外，振蕩器及其相位噪聲行為受到提供給振蕩器的功率的極大影響。圖7（見(jiàn)下一頁(yè)）顯示帶有嘈雜電源的TCXO。馬刺在80到1000赫茲之間可以看到幅度約為40dBc。

圖8（見(jiàn)下頁(yè)）顯示了使用更清潔的電源測(cè)試的相同TCXO，只剩下兩個(gè)支線振幅約為20dBc。振蕩器制造商無(wú)法控制電源客戶在他們的應(yīng)用中使用，因此試圖僅表征相位噪聲性能而不是供應(yīng)對(duì)振蕩器的影響。振蕩器制造商試圖使用最干凈的耗材這些測(cè)量可能。

圖7.具有嘈雜電源的TCXO

圖8.具有更清潔電源的TCXO

附近的干擾也可以出現(xiàn)在相位噪聲測(cè)量中。圖9（下圖）顯示了TCXO從上面運(yùn)行干凈的電源，但電腦顯示器運(yùn)行大約3英尺遠(yuǎn)離振蕩器和測(cè)試裝置。圖10顯示了關(guān)閉顯示器的相同測(cè)試。圖9中的雜散不是來(lái)自振蕩器，因此我們?cè)噲D消除在測(cè)試過(guò)程中關(guān)閉計(jì)算機(jī)顯示器。

圖9.運(yùn)行監(jiān)視器的TCXO

圖10.關(guān)閉顯示器的TCXO

這些真實(shí)世界的情節(jié)（圖9,10）顯示了消費(fèi)者和制造商之間可能發(fā)生的潛在脫節(jié)。

振蕩器制造商僅僅描述了OSC振蕩器的相位噪聲性能，并且可能會(huì)發(fā)生這種情況很長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)展示“低”相位噪聲。使用清潔電源甚至電池試圖減少外來(lái)噪音;附近的干擾源，如電腦顯示器或其他設(shè)備得到緩解。制造商甚至可以制造一個(gè)法拉第籠-一個(gè)屏蔽罩房間-減少外界干擾。許多人使用擋板或緩沖器來(lái)減少周圍的氣流振蕩器改善熱條件并降低相位噪聲。

不幸的是，設(shè)計(jì)工程師指出/購(gòu)買振蕩器可能不知道采取了這些措施并且可能沒(méi)有意識(shí)到對(duì)他們的特定系統(tǒng)或應(yīng)用的最終影響。振蕩器不會(huì)在一個(gè)屏蔽的房間里獨(dú)自奔跑。它將采用更大的組件，溫度梯度和非理想電源以及附近運(yùn)行的其他機(jī)械或計(jì)算機(jī)。當(dāng)設(shè)計(jì)工程師查看相位噪聲圖并假設(shè)這是他們?cè)谙到y(tǒng)中的情況時(shí)，可能有問(wèn)題。如果在設(shè)計(jì)中不允許有空間，則可能會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重問(wèn)題。最后，還有兩個(gè)因素會(huì)直接影響振蕩器制造商無(wú)法控制的相位噪聲性能。振動(dòng)影響晶體振蕩器的相位噪聲，如下式所示：

其中_是貼片晶振的g靈敏度，A是振動(dòng)中g(shù)的數(shù)量，fo是頻率振蕩器，fv是振動(dòng)的頻率。[10]大多數(shù)軍事設(shè)計(jì)師都很清楚這種退化，并與制造商合作了解和在振動(dòng)下表征振蕩器，它將在現(xiàn)場(chǎng)看到。阻礙相位噪聲性能的另一個(gè)因素是乘法。許多客戶會(huì)購(gòu)買振蕩器在兆赫茲中并將其乘以千兆赫范圍。這是可以接受的，并且是穩(wěn)定的振蕩器但相位噪聲降低了：

其中N是乘法因子。[10]

振動(dòng)和乘法是用戶可能使振蕩器受到影響的兩個(gè)過(guò)程，也就是潛在的過(guò)程振蕩器制造商應(yīng)解決性能下降問(wèn)題。這對(duì)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)很重要了解所有這些變量對(duì)時(shí)基的影響-并與制造商合作確保提供滿足其現(xiàn)實(shí)世界和性能要求的高質(zhì)量振蕩器。相位噪聲是任何時(shí)基的一個(gè)非常重要的方面。振蕩器制造商尋求最小化相位振蕩器中的噪聲通過(guò)最大化Q，使用低噪聲有源器件和增加諧振器功率來(lái)實(shí)現(xiàn)。