關(guān)于晶體振蕩器的時(shí)鐘抖動(dòng)與相位噪聲特性,我們都接觸過(guò)許多相關(guān)的資料,可以說(shuō)已經(jīng)研究得比較徹底,但不同的晶體制造商使用的時(shí)鐘抖動(dòng)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(guò)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(duì)于時(shí)鐘抖動(dòng)與相位噪聲,有著獨(dú)特的見(jiàn)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(lái),KDS Oscillator系列的銷量始終名列前茅,被越來(lái)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(shí)鐘信號(hào)源.不僅具有長(zhǎng)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(dòng)性能所代表的短期穩(wěn)定性.這很棒.

近年來(lái),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(shí)鐘信號(hào)速度和噪聲.例如,在許多應(yīng)用中,例如數(shù)字無(wú)線通信中的多級(jí)調(diào)制,對(duì)車載毫米波雷達(dá)的高分辨率的需求,以及通過(guò)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(dòng)性能)的高質(zhì)量時(shí)鐘信號(hào)源.

抖動(dòng)和相位噪聲:

(1)抖動(dòng)

石英晶振抖動(dòng)表示由時(shí)鐘信號(hào)波形的時(shí)間軸方向的波動(dòng)引起的時(shí)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(gè)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(dòng)范圍.這種波動(dòng)稱為周期抖動(dòng),因?yàn)樗鼘?duì)應(yīng)于一個(gè)時(shí)鐘周期的時(shí)間波動(dòng).通常,它表示為直方圖的RMS值或峰峰值.有三個(gè)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(dòng)

抖動(dòng)可大致分為隨機(jī)抖動(dòng)(RJ)和確定性抖動(dòng)(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(dòng).因?yàn)樗怯稍S多小噪聲生成過(guò)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(jì),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(dòng)(PJ)和數(shù)據(jù)相關(guān)抖動(dòng)(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(duì)準(zhǔn)不是隨機(jī)變化而是確定性(可預(yù)測(cè)的)抖動(dòng)分量.RJ和DJ一起稱為總抖動(dòng)(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(méi)有DJ組件,實(shí)際上只有RJ組件.

圖2:隨機(jī)和確定性抖動(dòng)

抖動(dòng)分為相位抖動(dòng),周期抖動(dòng)和周期抖動(dòng),具體取決于抖動(dòng)定時(shí)的定義方式.相位抖動(dòng)是時(shí)鐘邊沿的理想時(shí)鐘與被測(cè)信號(hào)之間的累積差值,有時(shí)也稱為長(zhǎng)期抖動(dòng)或累積抖動(dòng).周期抖動(dòng)是時(shí)鐘周期的變化,KDS晶振周期間抖動(dòng)是相鄰時(shí)鐘周期之間差異的變化.

圖3:相位抖動(dòng),周期抖動(dòng),周期間抖動(dòng)

●相位抖動(dòng)

差異與理想時(shí)鐘的差異

Δtn=tn-nT

●周期抖動(dòng)

被測(cè)信號(hào)周期的變化

Tn=tn-tn-1

●周期之間的抖動(dòng)

(周期到周期抖動(dòng))

相鄰時(shí)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(dòng)

貼片振蕩器相位噪聲是相位波動(dòng)的功率譜密度,是信號(hào)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(hào)越好.通常,單邊帶近場(chǎng)噪聲由載波功率歸一化.圖5示出了具有相位噪聲的信號(hào)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(guò)計(jì)算頻域和時(shí)域中的相位波動(dòng)Φ(t)來(lái)獲得相位噪聲和相位抖動(dòng).

圖4:輸出電壓包括相位變化

相位噪聲用相位變動(dòng)φ(t)的頻域表現(xiàn),由φ(t)的功率譜密度sφ定義.實(shí)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(hào)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(dòng)是表示時(shí)間軸上的相位波動(dòng)的噪聲指數(shù),可以說(shuō)是Φ(t)本身.相位抖動(dòng)的RMS值是Φ(t)的均方根

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

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

計(jì)算該區(qū)域的相位抖動(dòng)

圖7:SSB相位噪聲的相位抖動(dòng)計(jì)算

為了獲得良好的相位噪聲請(qǐng)注意以下事項(xiàng):

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(huì)導(dǎo)致相位噪聲降低.

4.將振蕩電路的激勵(lì)電平提高到允許的范圍內(nèi).

5.噪聲特性是信號(hào)電平和噪聲功率的相對(duì)值,因此信號(hào)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(lì)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?yàn)楫?dāng)晶體和振蕩電路的電阻損失增加時(shí)或者當(dāng)電路以高激勵(lì)電平工作時(shí),由于頻率波動(dòng)導(dǎo)致相位噪聲惡化.

7.如有必要,請(qǐng)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(shí)鐘信號(hào):

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(hào)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(hào)電平越大,相位噪聲電平越低,與偏移頻率無(wú)關(guān).通過(guò)在系統(tǒng)中將信號(hào)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(lì)電平存在上限.如果激勵(lì)水平太高,則可能發(fā)生不必要的振動(dòng)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(lì)水平下操作增加了頻率波動(dòng)并降低了信號(hào)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(dòng)隨著功率增加而增加,因此在過(guò)激勵(lì)電平下的操作也會(huì)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(gè)偏移頻帶以及信號(hào)電平.