标签: 相位噪声

在实际工程中，Q值不仅影响晶体的频率稳定性，还决定了晶振的相位噪声、老化特性以及系统的长期可靠性。今天，凯擎小妹聊一下Q值对晶振性能的影响。 电气等效与能量损耗 石英晶体的压电谐振现象可以用等效模型来描述。动态电感L1和动态电容C1描述了晶体的机械振动特性，而等效谐振电阻R1则集中反映了晶体内部的各种能量损耗，包括机械摩擦、电极损耗以及材料内耗。并联的静态电容C0主要由晶体电极和封装结构决定。 Q值在电路中的变化 Q值可以理解为单位周期内储存能量与损耗能量的比值。对于石英晶体而言，其表达式可以写成： R1越小，Q值越高。换句话说，Q值高的晶体，在每一个振荡周期中损失的能量更少。 在工程层面，高Q值表示： - 振荡频率更稳定； - 对温度、电源和外界扰动更不敏感； - 长期老化速率更低。 为了验证上述关于Q值与能量损耗之间关系的分析，我们对实际量产晶体进行了测试。以KOAN无源晶体KX32(3.2×2.5mm封装)、8MHz为例，在相同测试条件下对10颗样品进行测量，其实测品质因数Q值主要分布在44k至55k的区间。与此同时，对应的谐振电阻RR维持在数百欧姆量级，表明该晶体在小型化封装条件下仍具备较低的等效损耗。该结果也从实测角度印证了：较低的谐振电阻是获得高Q值的重要前提。 Q值在真实电路中的变化 晶体在规格书中标注的Q值通常是在理想测试条件下测出来的。当晶体被接入实际振荡器电路后，放大器输入损耗、负载电容以及PCB寄生参数都会引入额外的能量损耗。此时，晶体表现出的等效品质因数通常会明显下降，这一状态下的Q值常被称为在线Q值。系统性能的好坏，取决的正是这个在线Q值，而不是晶体Q值。 Q值与负载电容之间的权衡关系 负载电容CL 是影响在线Q值的关键因素之一。它不仅决定晶体的工作频率，还会改变振荡回路的能量分布方式。 在工程实践中，经常会遇到以下权衡： - 当负载电容较大时，振荡回路中的能量更集中，等效损耗相对较低，在线Q值提高。这有利于降低晶体老化率，提高频率稳定度，但代价是频率可调范围变小，振荡器不易被拉到目标频率。 - 当负载电容较小时，频率拉偏能力增强，调试更加灵活，但振荡回路对噪声的抑制能力下降，在线Q值降低，频率稳定性和一致性变差。 在选型时，凯擎小妹建议应优先确认MCU或振荡器芯片对负载电容的推荐范围，再结合系统对稳定性和可调性的要求进行取舍。 Q值如何影响相位噪声 如果从频域角度观察振荡器输出，理想情况下应是一条无限窄的频谱线。但现实中，各种噪声源会不断扰动振荡相位，使能量向载波两侧扩散，形成相位噪声。Q值越高，振荡系统中储存的能量越多，外界噪声越难以改变振荡相位，频谱能量也就越集中在中心频率附近。晶体Q值往往决定了相位噪声能够达到的理论下限。相位噪声最终由在线Q值决定。因此，即使选用了高Q晶体，如果负载电容选择不当或振荡电路损耗过大，实际相位噪声表现仍可能不理想。

频率稳定度分短稳和长稳。短稳是指由相噪，电源和负载变化引起的频率波动；长稳是指因老化等引起的频率漂移。相位噪声是晶体振荡器短期稳定度的重要指标。今天凯擎小妹就来讲一下相位噪声的概念及其应用： 频域和时域： 相位噪声或抖动越小，输出信号稳定性越高 频域：相位噪声 振荡器在不同频率处相位噪声水平的指标。它表示单位频率范围内的相位噪声功率，单位是dBc/Hz。其中 dBc 是以 dB 为单位的在该频率处 1Hz 带宽内的噪声功率与信号总功率比值。 时域：抖动 抖动（又称时间抖动），是实际测量到的信号在时域上与理想信号的偏差。以 1MHz的脉冲信号为例，理想的持续时间应该是1us，每500ns会有一个跳变沿，由于各种因素的存在，信号周期会发生变化，造成抖动。 应用： 相位噪声是晶体振荡器短期稳定度的重要指标。KOAN 晶振的相位噪声在不同的应用领域中都具有重要性，尤其是对于需要高精度时钟或频率稳定性的系统。以下是一些应用领域中相位噪声的重要性： 通讯系统 如果本振信号的相噪较差，会增加通信中的误码率，影响载频跟踪精度;影响通信接收机信道内、外性能测量。如果要求接收机灵敏度越高，相噪也必须更好。 雷达和导航系统 相位噪声会影响系统的定位精度，尤其在长距离和高精度要求的场景下。为了提高空间检测能力，低相噪非常重要；尤其低重复周期雷达，调制后的两根载频频谱的远端相噪可能发生叠加。 医疗设备 在医疗设备中，如核磁共振成像（MRI）或超声波系统，时钟的稳定性对于诊断和治疗的精确性至关重要。相位噪声可能影响成像质量和数据精确度。 工业控制和测量 在工业自动化和测量系统中，精准的时序和频率同步对于确保系统稳定性和准确性至关重要。相位噪声可能导致系统测量误差和控制不稳定。

我们常说的相噪就是单边带相位噪声，是指振荡器信号周围噪声频谱的频域视图。它体现了振荡器的频率稳定性，其好坏对于仪器系统的性能非常重要。 因此，因此对其准确测量也是必不可少的工作。对于电子测试工程师来说，可以利用频谱分析仪的重要功能，来对相位噪声进行分析。具体的操作方式是什么？今天就来手把手告诉大家。 今天我们用到的测试仪器是同属于是德科技旗下的信号源N5182B和频谱分析仪N9020B。 打开每日E问APP，可以通过搜索仪器型号、设置筛选条件等方式，查询到这2款仪器的产品参数、配置指南等具体信息，便于直观了解。 测试仪器已经有了，接下来便是正式的操作过程。 首先，我们将信号源的频率设置为1GHz。 其次，再将信号源的功率设置为0dBm。 接下来，我们再设置频谱仪的参数，将中心频率设置为1GHz。 然后我们再打开信号源RF输出。 跟着打开频谱仪测试菜单，选择相位噪声功能，点击自动测量。 这样，我们就可以看到相位噪声的测试结果，可以看到最小和最大偏移频率指定的频率范围内的相位噪声测量值。 以上便是“使用频谱仪测量信号源相位噪声”的详细方法。 ——作者 君鉴科技/君鉴云课堂 ——来源 每日E问 http://www. eteforum

随着科技的发展，我们传输的数据变大，传输的距离变长，对频率稳定度的要求变高。 差分输出（例如PECL, LVDS, HCSL) 可以满足高速数据传输。 信号完整性(SI) 信号完整性包括由于互连结构、电源系统、电子器件等引起的所有 信号质量及延时等问题 。高比特率和更长的传输距离会让信号受到噪声，失真，损耗等影响。信号波形畸变导致电路无法正确的接收信号，从而导致电路不正常工作。在接收信号中，可能错误判断发送器输出的“0”、“1“。 晶振的抖动和相噪 晶振作为核心的电子器件。选择KOAN低相噪晶振，即KJ系列可以满足在精密电子仪器，无线电定位，高速目标跟踪和宇航通信等领域的需求。更多内容：《 晶振参数：相位噪声&抖动 》。抖动是信号偏离理想位置的程度，表示的是时域特征。从频域来看，对应的参数是相位噪声。时间和频域之间的关系互为倒数Time=1/Frequency. 相位噪声的形成因素主要三方面：A区主要是晶体Q值来决定; B区主要是晶体外围电路(包括IC)来决定; C区主要是信号输出(白噪声)来决定. 电源完整性(PI) 除了选择低抖动的元器件以外， 稳定的电源输出 也是一个重要因素。电源完整性是电源波形的质量。在充放电过程中，电池的电压也会发生变化。电源噪声控制在合理的范围内，为芯片提供稳定的电压，实时响应负载对电流的快速变化，并能够为其他信号提供低阻抗的回流路径。以 KOAN温补晶振 为例，电压变化会产生±0.3ppm的频率变化。电路设计中，PMIC电源管理芯片可以根据需要提高、降低或者调节电压，然后把调整后的电压提供给系统子组件使用。

低噪声晶振主要减少振荡器内部噪声对输出信号的影响，以获得短期频率稳定性的晶体振荡器。噪声会引起输出信号频率的随机起伏：起伏小，稳定度越高。 晶振噪声的由来 晶振的短期频率稳定度由噪声引起导致的频率不稳定。其中，电噪声是根本原因，包括热噪声，散弹噪声，以及闪变噪声。导体的无规律热运动带来热噪声。改善毫秒级稳定度可以降低闪相噪声，白相噪声。 改善噪声的方法 1. 晶振IC 晶振内部IC包含晶体管，二极管，电阻，电感，电容。这些元件都存在噪声。 电容和电感：有功电阻小，可视为无噪声元件。 晶体管：作为一种可变电流开关，能够基于输入电压控制输出电流。振荡器的噪声主要来自晶体管的内部。应减少晶体管的数量或者采用噪声低的晶体管。 2. 晶片Q值 除IC以外，石英晶体需要有尽量高的在线Q值，这是保证高频率稳定性，低噪声，低老化的重要条件。 3. 激励电平 振荡输出信号中的噪声和晶体的激励电平有关。激励电平是晶体在工作时消耗的电量，通常以毫瓦和微瓦来表示。提高激励电平可以改善振荡器的短期频率稳定性。 Drive Level = (Irms2x R) Irms =测得的流经石英晶体的均方根电流； R = 石英晶体的最大电阻 频域和时域的关系 从频域来看，对应的参数是相位噪声Phase Noise；从时域来看，对应的参数是抖动Jitter。时间和频域之间的关系互为倒数Time=1/Frequency。 1. 抖动: 总抖动=随机抖动+确定性抖动： 随机抖动是无界的，不可预测，通常由热噪声引起。如果幅度足够大，会导致随机时序误差或者抖动。 确定性抖动在幅度上是有界的，可预测，信号上升和下降时会导致数据幅度不规则，逻辑电平可能会不规则。 2. 相位噪声的形成因素主要三方面： A区主要是晶体Q值来决定。高频晶体有很高的近载波相位噪声, 因为他们有低的Q值和更宽的边带。 B区主要是晶体外围电路(包括IC)来决定。 C区主要是信号输出(白噪声)来决定。