<!DOCTYPE HTML PUBLIC "-//W3C//DTD HTML 4.0 Transitional//EN">
<HTML><HEAD>
<META http-equiv=Content-Type content="text/html; charset=UTF-8">
<META content="MSHTML 6.00.6000.16525" name=GENERATOR></HEAD>
<BODY id=role_body style="FONT-SIZE: 10pt; COLOR: #000000; FONT-FAMILY: Arial" 
bottomMargin=7 leftMargin=7 topMargin=7 rightMargin=7><FONT id=role_document 
face=Arial color=#000000 size=2>
<DIV><BR><A class=kicker2 
href="http://www.mwrf.com/Topics/TopicID/717/717.html"><SPAN 
class=kicker2>[Components]</SPAN></A><BR><FONT 
class=commonSectionTitle>Technique Trims VCXO Phase Noise</FONT> <BR><FONT 
class=deck>This patented circuit approach can improve the phase-noise 
performance and frequency stability of even low-cost voltage-controlled crystal 
oscillators.</FONT><BR><BR><A class=articleCommonCopy 
href="http://www.mwrf.com/Authors/AuthorID/1399/1399.html">Ulrich L. 
Rohde,</FONT></A> <A class=articleCommonCopy 
href="http://www.mwrf.com/Authors/AuthorID/1659/1659.html">Ajay Kumar 
Poddar</FONT></A>  |  <FONT class=articleCommonCopy>ED Online ID 
#16332</FONT> |  <A class=articleCommonCopy 
href="http://www.mwrf.com/Issues/IssueID/602/602.html">August 2007</A> <BR><BR>

<DIV id=resizable><SPAN id=intelliTxt>
<P>Frequency reference standards are essential to achieving frequency accuracy 
and phase stability in electronic systems. Such sources require the chief 
characteristics of low phase noise and good frequency stability.<SUP>1-13 
</SUP>The best oscillator performance can be expensive, however. Fortunately, a 
patented approach has been developed to design and optimize the performance of 
voltage-controlled crystal oscillators (VCXOs), even those with relative low 
quality-factor (Q) resonators, to achieve excellent phase noise and frequency 
stability.</P>
<P>A typical oscillator consists of a tuned circuit and an active device such as 
a transistor. Ideally, the tuned circuit provides a high loaded Q, generally 
from less than 100 for simple circuits to more than 1 million for 
crystal-resonator-based circuits. Noise arises from the active device as well as 
from resonator losses. Noise from a bipolar transistor, for example, stems from 
base and collector contributions and from device parasitic elements, such as the 
base-spreading resistor. The filtering effect of the resonator tends to remove 
the device noise, with higher Qs delivering greater filtering effects. The 
Leeson equation relates these noise effects.<SUP>1 </SUP>The formula was 
modified by Rohde for use with VCOs.<SUP>2</SUP></P>
<P>The equation is linear, with many unknowns. Among the more difficult 
oscillator performance parameters to predict are output power, noise figure, 
operating Q, and flicker corner frequency. The parameters can not be derived for 
linear conditions but require large-signal (nonlinear) analysis.<SUP>3 </SUP>But 
by combining Leeson's formula with the contributions of the tuning diode,<SUP>2 
</SUP>Eq. 3 results, making it possible to calculate oscillator noise based on a 
linear approach:</P>
<P><IMG height=56 src="http://www.mwrf.com/Files/30/16332/Screen_01.gif" 
width=400></P>
<P>where: </P>
<P>£(f<SUB>m</SUB>) = the ratio of sideband power in a 1-Hz bandwidth to the 
total power (in dB) at the frequency offset (f<SUB>m</SUB>);<BR>f<SUB>0 </SUB>= 
the center frequency; <BR>f<SUB>c </SUB>= the flicker frequency;<BR>Q<SUB>L 
</SUB>= the loaded quality factor (Q) of the tuned circuit;<BR>F = the noise 
factor; <BR>kT = 4.1 10<SUP>–21 </SUP>at 300°K (room temperature);<BR>P<SUB>sav 
</SUB>= average power at oscillator output;</P>
<P>R = the equivalent noise resistance of tuning diode (typically 50 Ω to 10 
kΩ); and <BR>K<SUB>o </SUB>= the oscillator voltage gain.</P>
<P>Equation 1 is limited by the fact that loaded Q typically must be estimated; 
the same applies to the noise factor. The following equations, based on this 
equivalent circuit, are the exact values for P<SUB>sav</SUB>, Q<SUB>L</SUB>, and 
F, which are required for the Leeson equation. <A 
href="http://www.mwrf.com/Files/30/16332/Figure_01.gif">Figure 1</A><I><B> 
</B></I>shows the typical simplified Colpitts oscillator giving some insights 
into the novel noise calculation approach.<SUP>4</SUP></P>
<P>From ref. 3, the noise factor can be calculated by: </P>
<P><IMG height=60 src="http://www.mwrf.com/Files/30/16332/Screen_02.gif" 
width=500></P>
<P>After some small approximation, </P>
<P><IMG height=51 src="http://www.mwrf.com/Files/30/16332/Screen_03.gif" 
width=400></P>
<P><A href="http://www.mwrf.com/Files/30/16332/Figure_02.gif">Figure 2</A><I><B> 
</B></I>(left) illustrates the dependency of the noise factor on feedback 
capacitors C<SUB>1 </SUB>and C<SUB>2</SUB>. From Eq. 1, the phase noise of the 
oscillator circuit can be enhanced by optimizing the noise factor terms as given 
in Eq. 3 with respect to feedback capacitors C<SUB>1 </SUB>and 
C<SUB>2</SUB>.</P>
<P>Equation 4 can be found by substituting 1/r<SUB>e </SUB>for 
Y<SUB>21</SUB><SUP>+ </SUP>(+ sign denotes the large-signal Y-parameter). </P>
<P><IMG height=53 src="http://www.mwrf.com/Files/30/16332/Screen_04.gif" 
width=500></P>
<P>When an isolating amplifier is added, the noise of an LC oscillator is 
determined by Eq. 5.</P>
<P><IMG height=130 src="http://www.mwrf.com/Files/30/16332/Screen_05.gif" 
width=300></P>
<P>where:</P>
<P>G = the compressed power gain of the loop amplifier;<BR>F = the noise factor 
of the loop amplifier; <BR>k = Boltzmann's constant;<BR>T = the temperature (in 
degrees K);<BR>P<SUB>0 </SUB>= the carrier power level (in W) at the output of 
the loop amplifier;<BR>F<SUB>0 </SUB>= the carrier frequency (in Hz); f<SUB>m 
</SUB>= carrier offset frequency (in Hz);<BR>Q<SUB>L </SUB>= 
(πF<SUB>0</SUB>τ<SUB>g</SUB>) = the loaded Q of the resonator in the feedback 
loop; and a<SUB>R </SUB>and a<SUB>E </SUB>= the flicker noise constants for the 
resonator and loop amplifier, respectively.</P></SPAN></DIV>
<DIV></DIV><BR>
<CENTER><FONT class=commonCopy><STRONG><-- prev. 
page    </STRONG> </FONT><FONT class=commonCopy>[1] 
</FONT><FONT class=commonCopy><STRONG><A class=commonCopy 
href="http://www.mwrf.com/Articles/Index.cfm?ArticleID=16332&pg=2">2</A></STRONG> 
</FONT><FONT class=commonCopy><STRONG><A class=commonCopy 
href="http://www.mwrf.com/Articles/Index.cfm?ArticleID=16332&pg=3">3</A></STRONG> 
</FONT><FONT class=commonCopy><STRONG><A class=commonCopy 
href="http://www.mwrf.com/Articles/Index.cfm?ArticleID=16332&pg=4">4</A></STRONG> 
</FONT><FONT class=commonCopy><STRONG>    <A 
class=commonCopy 
href="http://www.mwrf.com/Articles/Index.cfm?ArticleID=16332&pg=2">next page 
--></A></STRONG> </FONT></CENTER></DIV></FONT><BR><BR><BR><DIV><FONT style="color: black; font: normal 10pt ARIAL, SAN-SERIF;"><HR style="MARGIN-TOP: 10px">Get a sneak peek of the all-new <A title="http://discover.aol.com/memed/aolcom30tour/?ncid=AOLAOF00020000000982" href="http://discover.aol.com/memed/aolcom30tour/?ncid=AOLAOF00020000000982" target="_blank">AOL.com</A>.</FONT></DIV></BODY></HTML>