關(guān)于晶體振蕩器的時鐘抖動與相位噪聲特性,我們都接觸過許多相關(guān)的資料,可以說已經(jīng)研究得比較徹底,但不同的晶體制造商使用的時鐘抖動與相位噪聲技術(shù)并不完全相同.例如大家都比較熟悉的KDS晶振公司,其在生產(chǎn)過程中,采用了許多自己研發(fā)的新技術(shù),新流程,增加晶振產(chǎn)品的性能和穩(wěn)定性.KDS對于時鐘抖動與相位噪聲,有著獨(dú)特的見解和應(yīng)用技術(shù),可滿足不同產(chǎn)品的需求,因此這幾十年來,KDS Oscillator系列的銷量始終名列前茅,被越來越多的廠家使用.

由于其優(yōu)異的頻率穩(wěn)定性,使用它們的石英晶體和晶體振蕩器在許多電子設(shè)備中用作高質(zhì)量時鐘信號源.不僅具有長期穩(wěn)定性或靜態(tài)穩(wěn)定性,如頻率穩(wěn)定性,溫度特性和老化特性,而且由于晶體單元的高Q值導(dǎo)致的相位噪聲和抖動性能所代表的短期穩(wěn)定性.這很棒.

近年來,隨著信息量的增加,需要在諸如信息通信設(shè)備的各種電子設(shè)備中使用的石英晶體振蕩器降低參考時鐘信號速度和噪聲.例如,在許多應(yīng)用中,例如數(shù)字無線通信中的多級調(diào)制,對車載毫米波雷達(dá)的高分辨率的需求,以及通過數(shù)字音頻中的DA轉(zhuǎn)換,相位噪聲和更高的原始聲音再現(xiàn)性的追求.需要具有優(yōu)異噪聲性能(如抖動性能)的高質(zhì)量時鐘信號源.

抖動和相位噪聲:

(1)抖動

石英晶振抖動表示由時鐘信號波形的時間軸方向的波動引起的時鐘邊緣與理想位置的偏差.如圖所示,與遠(yuǎn)離觸發(fā)點(diǎn)一個周期的邊緣部分的原始位置相比,晶體振蕩器的輸出電壓波形具有一定的波動范圍.這種波動稱為周期抖動,因為它對應(yīng)于一個時鐘周期的時間波動.通常,它表示為直方圖的RMS值或峰峰值.有三個單位:rad,秒和單位間隔(UI).通常,在許多情況下使用秒.

圖1:晶體振蕩器輸出波形和周期抖動

抖動可大致分為隨機(jī)抖動(RJ)和確定性抖動(DJ),具體取決于原因.RJ是由于半導(dǎo)體器件的熱噪聲和散粒噪聲而自然發(fā)生的抖動.因為它是由許多小噪聲生成過程的累積引起的,所以分布形狀可以近似為正態(tài)分布.

另一方面,DJ是由各種常規(guī)因素(由電路設(shè)計,電磁感應(yīng)和外部環(huán)境引起)引起的,并且根據(jù)原因分為周期抖動(PJ)和數(shù)據(jù)相關(guān)抖動(DDJ)..分布的變化寬度具有帶邊界的特征,并且可以由左右RJ之間的部分表示.存在非隨機(jī)的特定原因,并且邊緣未對準(zhǔn)不是隨機(jī)變化而是確定性(可預(yù)測的)抖動分量.RJ和DJ一起稱為總抖動(TJ).在不使用PLL電路直接振蕩輸出頻率的KDS有源晶振中,幾乎沒有DJ組件,實際上只有RJ組件.

圖2:隨機(jī)和確定性抖動

抖動分為相位抖動,周期抖動和周期抖動,具體取決于抖動定時的定義方式.相位抖動是時鐘邊沿的理想時鐘與被測信號之間的累積差值,有時也稱為長期抖動或累積抖動.周期抖動是時鐘周期的變化,KDS晶振周期間抖動是相鄰時鐘周期之間差異的變化.

圖3:相位抖動,周期抖動,周期間抖動

●相位抖動

差異與理想時鐘的差異

Δtn=tn-nT

●周期抖動

被測信號周期的變化

Tn=tn-tn-1

●周期之間的抖動

(周期到周期抖動)

相鄰時鐘周期差異的變化

Tn+1-Tn=(tn+1-tn)-(tn-tn-1)

(2)相位噪聲和相位抖動

貼片振蕩器相位噪聲是相位波動的功率譜密度,是信號純度的量度.表示為遠(yuǎn)離中心頻率的特定值的位置(偏移頻率)處的頻率分量,值越小,信號越好.通常,單邊帶近場噪聲由載波功率歸一化.圖5示出了具有相位噪聲的信號波形V(t),其形式為理想的正弦波相位加上相位變化Φ(t).通過計算頻域和時域中的相位波動Φ(t)來獲得相位噪聲和相位抖動.

圖4:輸出電壓包括相位變化

相位噪聲用相位變動φ(t)的頻域表現(xiàn),由φ(t)的功率譜密度sφ定義.實際上,KDS晶振通常使用單邊帶表示的單邊帶(SSB)相位噪聲L(f),在橫軸上用dBc/Hz表示載波信號與總功率的比,在橫軸上用dBc/Hz表示載波頻率的偏移量.

圖5:SSB相位噪聲

相位抖動是表示時間軸上的相位波動的噪聲指數(shù),可以說是Φ(t)本身.相位抖動的RMS值是Φ(t)的均方根

由于難以在時域中精確地測量Φ(t),因此通常使用測量相位噪聲并將其轉(zhuǎn)換為相位抖動的方法,如下所示.相位波動的功率譜密度SΦ大約在一個邊帶中評估的SSB相位噪聲L(f)之間.

建立了這種關(guān)系.此時,通過將相位噪聲SΦ的測量值積分在指定的偏移帶寬上來獲得相位抖動.

計算該區(qū)域的相位抖動

圖7:SSB相位噪聲的相位抖動計算

為了獲得良好的相位噪聲請注意以下事項:

1.確保振蕩電路的Q值

KDS晶振的Q值越高,振蕩電路的電阻損失越小,振蕩環(huán)的Q值越高.

2.降低設(shè)備噪音

選擇具有低噪聲系數(shù)NF和閃爍轉(zhuǎn)角頻率的器件,以降低半導(dǎo)體產(chǎn)生的噪聲,如熱噪聲,散粒噪聲和閃爍噪聲.

3.PLL電路的倍頻會導(dǎo)致相位噪聲降低.

4.將振蕩電路的激勵電平提高到允許的范圍內(nèi).

5.噪聲特性是信號電平和噪聲功率的相對值,因此信號電平越高,越有利.但是,必須在平坦區(qū)域中使用SMD晶體的激勵電平特性.

6.Overtone提供高Q值,并且在偏移附近有效.但是,必須注意,因為當(dāng)晶體和振蕩電路的電阻損失增加時或者當(dāng)電路以高激勵電平工作時,由于頻率波動導(dǎo)致相位噪聲惡化.

7.如有必要,請將旁路電容盡可能靠近電源和GND引腳放置,以抑制電源噪聲.

獲得具有優(yōu)異噪聲性能的時鐘信號:

晶體振蕩器的相位噪聲很大程度上取決于KDS Crystal單元的Q值和信號電平以及振蕩電路的噪聲性能.為了改善相位噪聲的載波頻率附近的相位噪聲,晶體單元的Q值特別重要.信號電平越大,相位噪聲電平越低,與偏移頻率無關(guān).通過在系統(tǒng)中將信號電平設(shè)置得盡可能大,可以降低相位噪聲,但是可以應(yīng)用于晶體單元的激勵電平存在上限.如果激勵水平太高,則可能發(fā)生不必要的振動模式并且振蕩狀態(tài)可能異常.

泛音提供高Q值并且在偏移附近有效.但是,注意晶體和振蕩電路的電阻損失增加,并且在高激勵水平下操作增加了頻率波動并降低了信號純度.這是必要的.另外,由于晶體振蕩器的非線性引起的頻率波動隨著功率增加而增加,因此在過激勵電平下的操作也會引起相位噪聲劣化.選擇具有良好噪聲性能的半導(dǎo)體器件非常重要.閃爍噪聲影響中頻附近,其中偏移頻率距載波附近約10kHz,并且熱噪聲同樣影響整個偏移頻帶以及信號電平.