浅谈压控振荡器VCO相位噪声的特性与抑制方法

一、什么是相位噪声

相位噪声这一术语，常用来描述信号短期的随机频率抖动。频率稳定度用于衡量振荡器在指定时间内维持输出频率恒定的能力，其指标有多种表述方式，本文介绍三种常用定义。

理想正弦振荡器的输出表达式为：

V(t)=V0sin(2πft)

式中，V0为信号标称幅值，f为振荡标称频率。

实际振荡器的瞬时输出可表示为：

V(t)=V0[1+A(t)]sin[2πft+φ(t)]

其中A(t)、φ(t)分别代表信号的幅度波动与相位波动。相位波动分为随机分量和离散分量，均可在频谱仪上观测到。

如图1所示，相位波动主要分为两类：第一类是杂散信号，属于离散信号，在频谱密度图中表现为独立的尖峰分量；第二类为随机相位波动，也就是我们常说的相位噪声。

图1：频谱仪观测到的相位噪声波形

振荡器的相位噪声主要来源于热噪声与闪烁噪声（1/f噪声）。绝大多数振荡器工作在饱和区，其调幅噪声分量通常比相位噪声分量低20dB。下文分析中，均默认幅度波动A(t)<<1。

表征振荡器相位噪声的方法有很多，本质都是在频域或时域测量被测信号的频率偏移与相位偏移。由于频率和相位相互关联，各类参数也存在对应关系。单边带相位波动谱密度是描述相位噪声最基础、最常用的指标。谱密度表征能量的连续分布特性，单位为单位带宽内的能量。

相位噪声最适合在频域分析，通过测量载波两侧的噪声边带得到对应谱密度。工程上常用偏离载波特定频偏处的单边带相位噪声，单位为dBc/Hz。

相位、频率的频域信息，分别由相位功率谱密度SDq(f)和频率功率谱密度SDf(f)体现。式中f代表由相位波动φ(t)产生的调制频率，也就是频偏。

峰值相位偏移Δφ与峰值频率偏移Δf的关系如下：

换算为有效值，关系式如下：

每Hz带宽内，相位波动的单边谱密度记为SDq(f)：

式中，BW为相位有效值Dqrms的测量带宽。SDq(f)的单位为rad²/Hz，也可表示为相对于1rad²/Hz的dB值。

S(f)即常说的谱密度，以连续函数形式表征能量分布，单位为每Hz带宽的能量，特性如图2所示。

图2：信号相位噪声谱密度的单边分布曲线

同理，每Hz带宽内频率波动的单边谱密度为SDf(f)，计算公式：

SDf=(Dfrms)2/BW

式中BW为频率有效值Dfrms的测量带宽。SDf(f)单为(rad/s)²/Hz。

工程中也常用边带功率与载波功率的比值来表征信号噪声性能，该指标记作Sc：

Sc(f)=(信号总功率偏离载波频偏f处，每Hz单边带功率密度)/信号总功率

当相位波动较小时，可推导得出：

式中b为调制指数，该定义借鉴了调制理论中的相关概念。

Sc(f)=1/2(SDq(f))

Sc(f)通常以偏离载波的dBc/Hz为单位，它和频谱仪上观测到的功率谱直接对应。

单边带相位噪声的定义为：在偏离载波fHz的位置上，每Hz带宽内单个调相边带的功率，与信号总功率的比值。其中f为相对载波的频偏。

式中Ps为载波功率，Pssb是偏离中心频率f处、每Hz带宽内的单边带功率，相关示意如图3所示。

图3：单边带相位噪声与载波功率比值

单边带相位噪声通常采用对数形式表示，计算公式为：

Sc(f) in dB = 10 x log[Sc(f)]

图4为频域下调相边带的谱密度曲线，该指标单位为dBc/Hz，即相对于载波的dB/Hz带宽。

图4：单边带相位噪声特性曲线

压控振荡器（VCO）的相位噪声主要由以下因素决定：

1. 谐振器的品质因数Q。

2. 变容二极管的Q值。

3. 振荡晶体管等有源器件。

4. 电源噪声。

5. 外部调谐电压源噪声。

合理选型供电电路，可有效抑制第4、5项带来的噪声影响。因此，VCO相位噪声主要取决于电路整体Q值。而高Q电路对应的调谐带宽较窄，低相位噪声的VCO，调谐范围通常也更小。

二、降噪措施

1、电源（VCC）与调谐电压（Vtune）的回流端需接入PCB地层；VCO地层需与主板地层共地，所有接地引脚直接焊接至PCB地层。

2、保证射频接地良好，在电源端与地之间布设多颗片式去耦电容。

3、选用低噪声稳压电源；供电电压与调谐电压优先采用直流电池供电，可获得最佳性能。

4、输出端匹配标准负载阻抗；建议在VCO与外接负载之间增设电阻衰减器。

5、调谐端口走线尽量缩短，做好屏蔽与去耦，避免外界噪声对振荡器产生调制；调谐电压必须使用低噪声电源供电。