美國Greenray Industries, Inc.公司成立了60多年，在設計和制造低相位噪聲晶體振蕩器方面，有充足的經(jīng)驗和理論性知識。Greenray晶振成功研發(fā)出許多款帶有低相位噪聲，低相位抖動的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符合國防和航空航天工業(yè)的必備標準，工廠通過ISO9001系列認證，每一顆晶振都在賓夕法尼亞州總部進行開發(fā)，設計，測試，組裝和生產(chǎn)。

相位噪聲：

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

然后可以使用該RMS周期抖動來計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是遠離載波的頻率[5]該計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]假設沒有1/f噪聲或突發(fā)噪聲[5]。在現(xiàn)實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)實世界的組件和這些電路中產(chǎn)生的噪聲，那么相位噪聲計算變得更加復雜。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量[6]。

其中Q1是電路的負載Q，ƒm是來自載波的頻率，ƒc是閃爍噪聲轉(zhuǎn)角頻率，ƒo是載波（振蕩器）頻率，T是以開爾文為單位的溫度，Pavs是通過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）顯示了該等式如何適合相位噪聲圖。可以看出，關閉在載波中，閃爍噪聲在曲線中占主導地位，并具有轉(zhuǎn)角頻率的截止頻率有源設備。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線設計。使用低閃爍噪音的設備。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值得關注的問題。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)動功率也是可取的，因為那樣相位噪聲基底的驅(qū)動因子（頻率高于ƒo/（2Ql））。這需要權衡因為較高的驅(qū)動電平通常會導致一些相位噪聲降低接近載波。

相位噪聲測量：

測量相位噪聲并非易事。大多數(shù)頻譜分析儀沒有直接測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試。與被測振蕩器頻率相同的“理想”源被混合振蕩器。這產(chǎn)生了這兩種信號的產(chǎn)物以及差異。使用低通過濾波器，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.相位噪聲設置[2]

然后可以通過頻譜分析儀測量得到的噪聲信號并以圖形方式顯示形成dBc/Hz與Hz的關系圖。這張圖表顯示了我們在功率方面的噪音距離（at每個特定頻率）低于載波（振蕩器所需的信號）。圖5和圖6（下面）是典型的相位噪聲測量圖。圖5顯示了一個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。這是因為OCXO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)境的補償溫度變化遠不及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振蕩器設計得更小，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)定性而設計的干燥單元使用BJT降低噪聲規(guī)格，進而改善相位噪聲性能。

測量缺陷：

這個測量系統(tǒng)的一個問題是你正在測試被測振蕩器“理想，無噪音”的振蕩器。由于沒有這樣的真實世界設備，你必須將它與某些東西混合你知道比被測單位要好得多，并且假設'參考'沒有注入噪音。另一個選項是混合對應于被測單位的東西，并假設平等貢獻來自兩個振蕩器。這兩種方法本質(zhì)上都存在缺陷。通過混合更好的東西你假設參考沒有退化。

如果你的參考效果要好10倍，那么效果最小，但你的效果仍然會下降測量。通過混合相等的源并假設相同的貢獻，您可以向目標添加3dB，這允許您接受真正超出預期規(guī)格的結(jié)果，因為有另一個噪音源。但是，你怎么知道他們是平等的，事實上他們大多數(shù)時候都是平等的不平等。一個源將具有比另一個更好的噪聲特性，這會產(chǎn)生模糊的數(shù)據(jù)。

事實上，如果選擇作為“參考”的單位最終成為一個相對干凈的來源，并且你假設平等的貢獻，你可能會接受實際上失敗的結(jié)果，但你無法知道。

外部噪音/干擾：

除了電路特性，測量假設和隨機晶體波動之外，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（見下一頁）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（見下頁）顯示了使用更清潔的電源測試的相同TCXO，只剩下兩個支線振幅約為20dBc。振蕩器制造商無法控制電源客戶在他們的應用中使用，因此試圖僅表征相位噪聲性能而不是供應對振蕩器的影響。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)在相位噪聲測量中。圖9（下圖）顯示了TCXO從上面運行干凈的電源，但電腦顯示器運行大約3英尺遠離振蕩器和測試裝置。圖10顯示了關閉顯示器的相同測試。圖9中的雜散不是來自振蕩器，因此我們試圖消除在測試過程中關閉計算機顯示器。

圖9.運行監(jiān)視器的TCXO

圖10.關閉顯示器的TCXO

這些真實世界的情節(jié)（圖9,10）顯示了消費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，并且可能會發(fā)生這種情況很長的時間來展示“低”相位噪聲。使用清潔電源甚至電池試圖減少外來噪音;附近的干擾源，如電腦顯示器或其他設備得到緩解。制造商甚至可以制造一個法拉第籠-一個屏蔽罩房間-減少外界干擾。許多人使用擋板或緩沖器來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，設計工程師指出/購買振蕩器可能不知道采取了這些措施并且可能沒有意識到對他們的特定系統(tǒng)或應用的最終影響。振蕩器不會在一個屏蔽的房間里獨自奔跑。它將采用更大的組件，溫度梯度和非理想電源以及附近運行的其他機械或計算機。當設計工程師查看相位噪聲圖并假設這是他們在系統(tǒng)中的情況時，可能有問題。如果在設計中不允許有空間，則可能會出現(xiàn)嚴重問題。最后，還有兩個因素會直接影響振蕩器制造商無法控制的相位噪聲性能。振動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是振動中g的數(shù)量，fo是頻率振蕩器，fv是振動的頻率。[10]大多數(shù)軍事設計師都很清楚這種退化，并與制造商合作了解和在振動下表征振蕩器，它將在現(xiàn)場看到。阻礙相位噪聲性能的另一個因素是乘法。許多客戶會購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]

振動和乘法是用戶可能使振蕩器受到影響的兩個過程，也就是潛在的過程振蕩器制造商應解決性能下降問題。這對設計師來說很重要了解所有這些變量對時基的影響-并與制造商合作確保提供滿足其現(xiàn)實世界和性能要求的高質(zhì)量振蕩器。相位噪聲是任何時基的一個非常重要的方面。振蕩器制造商尋求最小化相位振蕩器中的噪聲通過最大化Q，使用低噪聲有源器件和增加諧振器功率來實現(xiàn)。