小型SMD封装的UHFVCXO的新架构,用于数据通信的光网络.输出信号边缘的低波动(低相位抖动)和小的物理尺寸满足这些网络的时钟和数据恢复(CDR)系统中的振荡器的要求.我们将相位噪声频谱密度和次谐波及其倍数的抑制视为两个关键参数,允许创建具有低相位抖动的VCXO晶振(或XO).在UHF波段实现基于体波晶体的VCXO的许多可能方法中,我们选择了两者的组合.一种是基于从工作在100MHz至160MHz频率范围内的振荡器信号中选择所需的谐波.第二个是对所需频率的信号进行广泛滤波.这种方法可以实现出色的相位抖动和相位噪声性能,以及长期和温度稳定性.

UHF频段VCXO是许多应用的重要组成部分.参考信号的低相位抖动是在通信系统中提供高质量信号处理的关键因素.除低相位抖动外,低相位漂移是石英晶体振荡器提供的另一个重要优势.它为晶体振荡器在具有相位对准的电路和高效CDR单元中的应用提供了便利.用于数据通信的光网络中的VCXO的要求由波分复用(WDM)技术定义.为了分离不同的波长信号,每个波长信号在其自己的信道中经历CDR操作.因此,每个通道都有独立的VCXO,与信道中的信号时钟频率同步.有限空间中的通道数量对VCXO尺寸有严格的要求.相位抖动要求由通道数据流中允许的误码率决定.

振荡器架构

晶体频率的选择是可制造性,长期稳定性要求和次谐波抑制可能性之间的权衡.考虑到现代高频基本晶体处理技术和SONET/SDH长期频率稳定性要求,我们选择了100MHz至160MHz的石英晶体频率范围.有几种频率转换方法,从上述范围到400MHz到1200MHz范围:

a)模拟倍频

b)PLL技术

c)从振荡器级的现有谐波组中选择主振荡频率所需的谐波.

众所周知,在振荡器装置的物理体积受到显着限制的情况下,使用前两种方法很难实现输出信号的高光谱纯度[4,5].使用第三种方法的VCXO有源晶振开发在文献[6]中描述.该器件在距离载波200KHz偏移处的本底噪声为-150dBc/Hz,这是100~160MHz频段VCXO的典型值.这意味着设备不会降低远离载体的本底噪声.然而,单边带相位噪声谱密度图的斜率等于从100KHz到300Hz的20dB/十倍和30dB/十倍低300Hz.这是由于振荡器级中多谐波存在的影响导致的负载晶体质量QL降级的结果.这反过来导致相位抖动在2微秒到10毫秒的时间间隔内退化.为了减少不需要的光谱分量的数量和幅度,我们选择了方法a)和c)的组合.这导致所有不需要的频谱分量和基频信号的幅度减小.

电路描述

622.08MHz输出频率信号的VCXO原理图如图1所示.

图1.振荡器基本原理图

振荡器级是Colpitts电路,具有103.68MHz基波晶振.它有一个谐波选择电路,可以调谐六次谐波.它可以降低不需要的谐波电平,从而改善相位噪声性能.第二级是窄带放大器,也可以在622.08MHz的所需频率上进行调谐.第三阶段缓冲区是具有启用/禁用功能的ECL差分接收器/驱动器.

测量结果

图2显示了622.08MHz VCXO的单边带相位噪声谱密度图.

图2.VCXO相位噪声谱密度

可以看出,载波偏移10Hz时的相位噪声电平为-55dBc/Hz,100Hz时为-85dBc/Hz,本底噪声为-140dBc/Hz,达到约8KHz偏移.相位噪声基底电平比传统的基本振荡器电平高约10至15dB.这意味着振荡器级的操作模式更类似于倍频模式(频率乘以6使噪声电平增加16dB)而不是谐波选择模式.计算出的100Hz至1MHz频段内的相位抖动值小于0.2psRM.图3显示了VCXO压控晶振输出信号的频谱.

图3.VCXO信号的频谱

相对于622.08MHz的载波信号,子谐波及其倍数的抑制优于-50dB.30至40ppm,绝对拉伸范围大于±100ppm.调谐线性度优于±10％高频数字化示波器HP54120用于获得周期到周期的抖动直方图.仪器规格要求2.5ps触发抖动RMS.测量值接近指定的测量误差,这意味着DUT对该值的贡献可以忽略不计.它证实了我们基于次谐波水平对周期到周期相位抖动的预测.

所提出的VCXO石英晶振架构允许以小型SMD封装(14x9x6mm3)制造振荡器,并抑制次谐波及其倍数超过-50dB.振荡器级设计提供了高质量,低老化晶体的使用,并最大限度地减少了“技术”噪声的插入,因此相位噪声频谱密度在距载波1KHz偏移时不超过-115dBc/Hz,-140dBc/Hz在地板上.在整个10Hz至20MHz的抖动带宽以及周期间循环中,总相位抖动值优于1ps.整体频率稳定性(包括老化)优于±30ppm.