石英晶体振荡器又称为有源晶振,有源晶振常见的类型为普通有源晶振(OSC),温补有源晶振(TCXO),恒温有源晶振(OCXO),这三种有源晶振直观上的区别是频率精度越来越高:
普通有源晶振(OSC):±10PPM~30PPM
温补有源晶振(TCXO):±0.1~5PPM
恒温有源晶振(OCXO):±10~几百PPB
除了在输出频率精度上存在差异以外,有时还需要注意另外一个非常重要的参数——相位噪声。
以100MHZ晶振为例,不同条件下相位噪声的表现如下,仅供参考:
100MHz是作为一个常用的频率,从切型和振动模式来看,常用的有以下三种晶体:
- AT切三次泛音
- AT切五次泛音
- SC切五次泛音
第一种通常用来制作温补晶振OSC和TCXO,后两种则用来制造恒温晶振OCXO。这是因为:
1、AT切晶体在非恒温的情况下,在宽温度范围内(-40℃~+85℃)其频率温度变化要小于SC切的晶体,适合于温补晶振和普通晶振。
2、AT切晶体的频率牵引率较大,适合于温补晶振。
3、良好设计的五次泛音的晶体比三次泛音的晶体Q值更高,相噪、老化、稳定度都会更好,更适合做恒温晶振。
为了测试晶振的Q值与相位噪声之间的关系,选择了频率为100M的三种晶振进行试验。
三种晶振参数如下:
A.AT切三次泛音,Q值约为50K。
B.AT切五次泛音,Q值约为90K。
C.SC切五次泛音,Q值约为130K。
电路的基本结构相同,但有一些区别:
晶体A没有加恒温电路,电源供电为5V,主振级使用4V的稳压电压。
晶体B恒温到70度附近,电源供电为5V,主振级使用4V的稳压电压。
晶体C恒温到90度附近,电源供电为12V,主振级使用8V的稳压电压。
输出幅度都在9dBm左右。
测试相噪结果如下:
一.远端10KHz以外的相噪:
1、晶体C最好,这或许是因为使用了较高的电源电压,因此输出信噪比较好。
2、晶体A与B相比,A的远端相噪较好,这可能是基于以下两点:
- 晶体A的电路没有恒温,热噪声较低。
- 晶体A是三次泛音晶体,虽然Q值低,但谐振阻抗RS也低,因此主振级输出幅度较大,信噪比提高。
二.近端10HZ处的相噪:
没有什么区别。
一般上理论认为,晶振的相位噪声,近端取决于晶振,远端取决于电路。近端相位噪声正比于晶体Q值的4次方。但是在我们的试验中没有得到体现,可能的原因在于:
1、近端仍旧是电路的噪声在起主要作用,高Q值晶振的效果没有得到发挥。
2、晶振有载Q值比空载Q值下降很多,以至于各种晶体的有载Q值差别不大,所以相噪相差不大。
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