基於頻域噪聲和噪聲的光譜密度分析儀的光譜密度的相位噪聲測量方法

光譜密度什麼意思

在我們介紹晶體振盪器的相位噪聲/抖動的來源之前，我們需要了解一些與測量相關的詞，所以我們先從一個簡單的階段噪聲和抖動的描述開始。

相位噪聲

相位噪聲是描述頻域振盪器穩定的一種方法。它可以區分隨機（隨機）噪聲和誘導/重複（確定性）噪聲。頻域顯示振盪器輸出的頻譜（頻率）內容在給定的頻率範圍內是什麼樣的。在這個領域，我們使用一個頻譜分析儀來觀察振盪器的輸出（圖1）。

圖1

抖動

抖動是描述時域中振盪器的穩定性的一種方法。它將所有的噪聲源聚集在一起，並顯示出它們對時間的影響。時域顯示你的振子的輸出在一個顯示的時間段內是什麼樣的。在這個領域中，我們使用一個示波器來觀察振盪器的輸出（圖2）。

圖2

理解相位噪聲需要了解光譜密度的概念。

想象一個不可能建立帶以下屬性的帶通濾波器（圖3）。

圖3

1）透過頻帶增益=1

2）停止頻帶衰減=無限大

3）通頻頻寬度=1Hz

4）到止帶的垂直邊

5）可調的中心頻率在1Hz的臺階上

把這個過濾器應用到你正在測量的訊號上，從一個頻率開始，在1Hz的fstop上完成。在每一個步驟中，用一個功率計和圖上的圖表來測量輸出功率電平（圖4）。

圖4

你正在測量的是：

訊號功率譜密度在瓦茨每赫茲頻寬

把這個過濾器應用到一個振盪器上，fstart的頻率高於振盪器頻率Fosc（圖5），然後我們就測量了每赫茲頻寬的單邊帶（即上端帶）訊號功率譜密度。用“噪聲”代替“訊號”（因為在Fosc中任何東西都不能被認為是噪音），在dBW（10log（瓦特）由於巨大的動態範圍）工作，然後，查詢其他的單詞，意思是我們測量的是在dbw/hz的SSB噪聲密度。

圖5

如果振盪器是一種穩定的晶體振盪器然後看輸出在一個示波器觸發上升邊看看下一個前沿我們將看到稍微緊張的波形（圖6）。提供這種抖動非常遠小於一個完整週期（如圖6所示），我們可以說它是由階段波動（而不是頻率波動）。用“噪聲”來代替“波動”這個詞，並將其與頻譜分析儀（圖5）的觀點聯絡起來，然後SSB的噪聲密度實際上是相位噪聲。

圖6

如圖7所示，這導致了經典的相位噪聲的定義為功率比：-

L（f）=單1赫茲的功率密度/總訊號功率

圖7

在dBc中表示（dB從載波中向下）

圖8是一個真實的13。0mhz晶體振盪器的相位噪聲圖。

圖8

透過將實相噪聲圖的斜率與圖9的理想相位噪聲圖相匹配，可以對其進行分析。

對於這個特定的情節：-

緩衝階段的閃爍角 ~ 5 kHz

晶體負載Q ~ 170 Hz （Q ~ 38k）

振盪器電晶體閃爍角 ~ 12 Hz

隨機走 ~ 0。1 Hz（外推）

圖9

相位噪聲的原因可以被描述為：

白相熱噪聲（約翰遜噪音），即kT緩衝放大器的噪音、電阻噪聲和Shott的噪音。

閃爍相位粉紅噪聲（每10年頻率相等），主要是緩衝放大器的閃爍噪聲。

白噪聲載波噪聲，主要是晶體RLC噪聲。

閃爍的FREQ互調（載波噪聲）

閃爍階段（電晶體噪音）特別是在振盪器迴路中。

隨機漫步在石英和電極結構內的固有噪聲源。環境變化可能造成的外部影響，如機械震動、振動、溫度變化等。

這些都是晶體振盪器固有的相位噪聲的來源，有其他的外部影響可以影響振盪器的相位噪聲的效能。其中包括電源噪聲、迴圈地電流、控制電壓線的噪聲、變化的負載條件、機械振動和電磁干擾等。

在電壓方面，記住相位噪聲圖是在dB的電源下從載波中，所以每-10 dBC的電壓是0。316（10）。這意味著，對於一個有噪音地板的3v CMOS輸出振盪器來說，噪音地板電壓只有104nV（奈米伏特）pk/pk。