如今我國(guó)各項(xiàng)科技領(lǐng)域正在飛速發(fā)展當(dāng)中，產(chǎn)品越做越高端和精密，采用的電子元器件要求也更高，石英晶體振蕩器是比普通諧振器性能更優(yōu)越的頻率元件。一些重點(diǎn)國(guó)家工程如軍用設(shè)備，人造衛(wèi)星，載人航天工具，超級(jí)計(jì)算機(jī)等，除了OSC系列，還會(huì)應(yīng)用恒溫晶振，差分晶振，壓控晶振等一類(lèi)擁有低相位抖動(dòng)特性的振蕩器。那么什么是抖動(dòng)？MtronPTI晶振公司是如何測(cè)量抖動(dòng)的呢？

抖動(dòng)的定義：

155.52 MHz的理想時(shí)鐘信號(hào)在一個(gè)完整周期內(nèi)的周期為6430皮秒。連續(xù)循環(huán)的“噪音免費(fèi)的“波形將精確測(cè)量6430皮秒。噪聲元素將導(dǎo)致時(shí)鐘周期從6430 pS變化被稱(chēng)為抖動(dòng)。抖動(dòng)由確定性（來(lái)自電源噪聲等特定原因）和隨機(jī)內(nèi)容組成。該可以使用高斯分布統(tǒng)計(jì)來(lái)表征抖動(dòng)的隨機(jī)部分。例如，連續(xù)三百個(gè)僅包含隨機(jī)抖動(dòng)元素的155.52 MHz晶振周期的測(cè)量結(jié)果將顯示為高斯分布分布（有一個(gè)峰值）。正負(fù)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差將包含所有周期測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)的68.26％：

+/-2西格瑪將包含所有測(cè)量值的95.4％。

+/-3西格瑪將包含99.73％。

+/-4 sigma將包含99.99366％

+/-7西格瑪將包含（100-1exp-12）％的所有測(cè)量值。

具有較大標(biāo)準(zhǔn)偏差的高斯分布將具有更寬的尾部，與平均值相比更多的周期測(cè)量（越來(lái)越小）。從最小周期測(cè)量到最大周期測(cè)量的距離稱(chēng)為峰峰值抖動(dòng)電平，以皮秒為單位。峰-峰值取決于樣本大小。更大的樣本測(cè)量相同的待測(cè)單元將產(chǎn)生更大的峰-峰值。標(biāo)準(zhǔn)偏差（1-sigma）的使用僅在純高斯中有效分布。如果分布中存在任何確定性抖動(dòng)（具有如下所述的特定原因），則使用1-sigma基于用于估計(jì)發(fā)生概率的整個(gè)抖動(dòng)直方圖是無(wú)效的。如果信號(hào)中存在確定性抖動(dòng)，那么周期測(cè)量的直方圖將包括多個(gè)峰值。它可能是抖動(dòng)的主要貢獻(xiàn)者，例如電源紋波調(diào)制時(shí)鐘以產(chǎn)生多個(gè)峰值?；蛘?，有源晶振信號(hào)可能包含許多次諧波功率?？偠秳?dòng)是隨機(jī)抖動(dòng)與確定性抖動(dòng)交互的組合。

抖動(dòng)的來(lái)源

隨機(jī)抖動(dòng)來(lái)自許多來(lái)源。半導(dǎo)體石英晶體結(jié)構(gòu)的熱振動(dòng)導(dǎo)致遷移率變化在材料的瞬時(shí)溫度。隨機(jī)抖動(dòng)的另一個(gè)來(lái)源是由于瑕疵造成的不完美半導(dǎo)體工藝變化，例如非均勻摻雜密度。多個(gè)隨機(jī)抖動(dòng)源以RMS方式添加，但是a將隨機(jī)抖動(dòng)添加到確定性抖動(dòng)以獲得峰值到峰值的總抖動(dòng)時(shí)，需要峰峰值。確定性抖動(dòng)由可識(shí)別的干擾信號(hào)產(chǎn)生。它總是以振幅為界，具有特定的原因（不是隨機(jī)）。確定性抖動(dòng)可以通過(guò)相鄰信號(hào)跡線(xiàn)之間的串?dāng)_產(chǎn)生。增量時(shí)會(huì)發(fā)生這種情況來(lái)自一個(gè)導(dǎo)體的電感將來(lái)自相鄰信號(hào)線(xiàn)的感應(yīng)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電流。這誘導(dǎo)了電流增加或減少電壓，從而引起抖動(dòng)。

EMI輻射可能導(dǎo)致確定性抖動(dòng)。敏感的信號(hào)路徑會(huì)受到來(lái)自EMI源的磁場(chǎng)的影響。EMI源包括電源，AC電源線(xiàn)和RF信號(hào)源。與串?dāng)_一樣，在定時(shí)信號(hào)上感應(yīng)出噪聲電流路徑，從而調(diào)制定時(shí)信號(hào)電壓電平。

確定性抖動(dòng)可以由多層襯底的功率層中的噪聲產(chǎn)生。這種噪聲可以改變閾值電壓邏輯門(mén)。或者，在閾值電壓下接地參考的變化將導(dǎo)致改變所需的電壓以切換柵極。當(dāng)多個(gè)門(mén)同時(shí)切換到相同的邏輯狀態(tài)時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)確定性抖動(dòng)?？梢哉T導(dǎo)電流尖峰電源和接地層，為閾值電壓電平轉(zhuǎn)換創(chuàng)造了另一個(gè)機(jī)會(huì)。

MTRONPTI如何測(cè)量抖動(dòng)

MtronPTI晶振使用Wavecrest的時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)，相位噪聲系統(tǒng)和數(shù)字示波器來(lái)測(cè)量時(shí)域和時(shí)域頻域抖動(dòng)。雖然本教程將簡(jiǎn)要討論測(cè)量技術(shù)，但Wavecrest已經(jīng)編寫(xiě)了許多文章關(guān)于使用其設(shè)備進(jìn)行抖動(dòng)測(cè)量的基本原理的應(yīng)用筆記。

兩個(gè)特別的應(yīng)用筆記包括：

DTS測(cè)量技術(shù)（入門(mén)）

抖動(dòng)分析（入門(mén)）。

DTS測(cè)量?jī)蓚€(gè)事件之間的時(shí)間。在內(nèi)部，許多時(shí)間測(cè)量（樣本）被編譯成直方圖（圖1正好在下面）。可以在前面板上查看基本統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如樣本大小，平均值，峰峰值和1-sigma。這個(gè)數(shù)據(jù)振蕩器輸出信號(hào)可通過(guò)GPIB傳送到Wavecrest Virtual Instruments軟件，API軟件或用戶(hù)定制的軟件。來(lái)自數(shù)百或數(shù)千個(gè)直方圖的數(shù)據(jù)可以編譯成圖，突出顯示更多信息輸出信號(hào)質(zhì)量。抖動(dòng)累積的具體值，如抖動(dòng)頻率和功率，以及確定性和確定性的大小隨機(jī)抖動(dòng)可以在這些圖中顯示。

石英晶體振蕩器抖動(dòng)圖1

DTS測(cè)量?jī)蓚€(gè)事件之間的時(shí)間，即閾值交叉。數(shù)字采樣示波器測(cè)量電壓關(guān)于相對(duì)于觸發(fā)器的時(shí)間。基于事件的測(cè)量允許DTS確定實(shí)際邊緣位置在800以?xún)?nèi)femto-seconds（DTS的硬件分辨率）。采樣范圍在采樣點(diǎn)之間插入數(shù)據(jù)以確定采樣點(diǎn)的時(shí)間門(mén)檻。由于示波器取決于觸發(fā)信號(hào)的使用，因此該波形上的任何抖動(dòng)都可能會(huì)掩蓋a抖動(dòng)貢獻(xiàn)者。來(lái)自業(yè)界領(lǐng)先供應(yīng)商的一個(gè)特定數(shù)字示波器列出了1.5pS作為其均方根抖動(dòng)誤差測(cè)量設(shè)置。DTS使用事件的異步隨機(jī)采樣來(lái)建立事件的有效統(tǒng)計(jì)分布倍。它每21uS到25uS采集樣本，與DUT工作頻率無(wú)關(guān)。通過(guò)隨機(jī)化獲取時(shí)間，沒(méi)有機(jī)會(huì)屏蔽出與采樣率匹配的抖動(dòng)信號(hào)。

1 Sigma周期從4個(gè)貼片振蕩器IC循環(huán)抖動(dòng)數(shù)據(jù)使用Wavecrest DTS-2075測(cè)量

石英晶體振蕩器抖動(dòng)圖2

DTS測(cè)量系統(tǒng)包括許多軟件工具，以增強(qiáng)人們對(duì)波形特征的理解。抖動(dòng)分析工具允許用戶(hù)查看抖動(dòng)調(diào)制。例如，用戶(hù)可以分別測(cè)量數(shù)百或數(shù)千個(gè)直方圖由300個(gè)波形周期的樣本測(cè)量組成。所有這些樣本組的標(biāo)準(zhǔn)差可以是繪制以顯示指定時(shí)間段內(nèi)的累積抖動(dòng)（圖2直接在上面描繪）。其他石英振蕩器關(guān)鍵波形可以以這種方式檢查諸如上升時(shí)間，下降時(shí)間，傳播延遲和頻率之類(lèi)的參數(shù)。

時(shí)域數(shù)據(jù)可以通過(guò)FFT連接到頻域，以確定貼片晶振頻率和幅度抖動(dòng)組件。Wavecrest也提供超出本討論范圍的高級(jí)軟件工具。尾巴TM值算法使用戶(hù)能夠分析多模態(tài)分布（多個(gè)峰值）。在非高斯分布中，高斯分布當(dāng)可以計(jì)算這些尾部的等效1-sigma時(shí)，假設(shè)適用于尾部（最左邊和右邊區(qū)域）區(qū)域。以這種方式尾巴適合TM允許計(jì)算非高斯分布的邊遠(yuǎn)測(cè)量的概率發(fā)生分布。

因此，對(duì)于給定波形的峰峰值抖動(dòng)的預(yù)測(cè)可以在十億個(gè)周期后近似（非常高的置信度）無(wú)需等待十億個(gè)信號(hào)周期即可完成上電。另一個(gè)高級(jí)軟件功能涉及在用戶(hù)指定頻率帶寬時(shí)計(jì)算集成抖動(dòng)SONET范圍為12KHz至20MHz。根據(jù)設(shè)置中指定的貼片有源晶振樣品測(cè)量數(shù)量，集成抖動(dòng)測(cè)試每個(gè)單元需要0.5到1.5分鐘。