相位噪声是衡量晶振频率短期稳定性的指标,描述载波附近的随机相位波动。相噪优化不能只靠增大电流、减小负载电容、提高负阻。需要在频率稳定性、起振裕量、驱动电平、功耗、相位噪声之间进行系统权衡。相位噪声通常以dBc/Hz表示。如图,1kHz偏移处相位噪声为 -127.5221dBc / Hz。
晶振相位噪声
近端相噪是靠近载波的低偏移频率噪声,例如1Hz、10Hz、100Hz或1kHz偏移处的噪声。与以下因素有关:
远端相噪是远离载波的较高偏移频率噪声,例如10kHz、100kHz、1MHz或更远偏移处的噪声。与以下因素有关:
起振时间是指晶振从上电到进入稳定振荡所需的时间。它主要与晶体谐振电阻、振荡器负阻、环路增益、负载电容、供电电压和温度有关。高Q晶体通常具有较低的损耗和较好的频率选择性。Q值越高,起振速度不一定越快。
晶振起振时间
实际起振速度取决于晶体损耗与振荡器提供的环路增益是否匹配。当晶体谐振电阻较低、振荡器负阻裕量充足时,电路通常更容易可靠起振。若驱动能力不足或负载电容过大,可能出现启动变慢、低温不起振或振荡不稳定。
负性阻抗是振荡器维持振荡所提供的等效负阻能力。它用于抵消晶体谐振器的损耗,使振荡能够建立并持续。负阻应明显大于晶体谐振电阻,才能在温度变化、供电波动、器件批次差异和老化条件下可靠起振。提高跨导gm通常可提高振荡器驱动能力和负阻裕量。负阻或驱动能力过高,可能使晶体驱动电平超标,造成频率变化、老化加速或长期可靠性下降。
负载电容由外围匹配电容、芯片管脚、PCB走线及焊盘寄生电容共同决定。会影响实际工作频率、牵引量、负阻裕量和起振时间。
晶体驱动电平需要在晶振规格书允许范围内。适当的驱动有助于可靠起振和稳定振荡。驱动电平变化可能同时影响振幅、非线性、器件噪声、晶体自热和电源噪声耦合。优化步骤如下:
近端相噪只由晶体Q值决定吗?
不是。Q值和ESR非常重要,但振荡IC闪烁噪声、供电低频噪声、温度、机械应力和电路工作点也会影响近端相噪。
增大负阻一定能改善相噪吗?
不一定。适当的负阻裕量有助于可靠起振,但过高的驱动能力可能增加晶体驱动电平、非线性或电源噪声耦合。应通过实际测试确定合适工作点。
减小负载电容一定能降低相噪吗?
不一定。较小CL可能改善起振裕量,但也会增加频率对寄生电容的敏感性。CL应首先满足晶振标称负载电容要求,再考虑相噪和起振的参数。