KDS晶体振荡器相位噪声和时钟抖动性能技术报告下载
　　如今的频率组件市场越来越趋向于小型化和高性能方向发展,石英晶体振荡器的使用次数也越来越频率,株式会社大真空作为世界排名前10的晶振品牌,多年来始终努力提高旗下石英晶体和晶体振荡器产品的性能和品质.KDS晶体振荡器以尺寸小,精度高,性能好,稳定性高,低老化率,高精密等优势著称,部分产品搭载了低相位噪声,和低时钟抖动性能,这类型的振荡器都是用于要求比较高军用,工业,商业等级别的产品身上.
　　近来,需要在包括信息和通信设备的不同电子设备中使用的晶体振荡器,以随着信息量的增加进一步降低噪声以及使参考时钟信号高速化.许多应用都需要高质量的时钟信号源,例如缩小相位噪声的偏差,增加正交幅度调制系统的使用趋势,提高机载毫米波雷达的分辨率以及忠实再现原始声音的趋势.
　　用于数字音频系统的DA转换时钟.具有出色的频率稳定性,晶体或包含它们的晶体振荡器被用作许多类型电子设备中时钟的高质量信号源.晶体或晶体振荡器不仅在长期或静态稳定性(例如频率稳定性,温度特性和老化特性)方面表现出色,而且由于晶振的高Q值,其相位噪声和抖动性能代表的短期高稳定性也很出色.
抖动和相位噪声说明:
(1)抖动
　　抖动表示由于时钟信号波形在时间轴方向上的波动而发生的偏离时钟边缘理想位置的漂移.如图所示,KDS晶体振荡器的输出电压波形显示出从该波形最初应位于与触发点隔开一个周期的边缘部分起的位置起的某个波动范围.这种波动称为周期抖动,因为它对应于一个时钟周期的时间变化.这种波动通常以直方图的RMS或峰峰值表示.rad,second和unitinterval(UI)三种单位可用来表示波动.但是,在大多数情况下,通常以秒为单位.

图1晶体振荡器的输出波形和周期抖动

　　根据抖动的发生原因,可以将抖动大致分为随机抖动(RJ)和确定性抖动(DJ).RJ是由半导体器件中的热噪声或散粒噪声自发发生的.由于RJ是由于许多微小噪声生成过程的累积而发生的,因此其分布形状近似于正态分布.
　　另一方面,DJ由电路设计,电磁感应和外部感应等各种有规律的因素产生,根据其发生的原因分为周期性抖动(PJ)和数据相关抖动(DDJ).其分布的变化幅度具有带有边界的特性,该边界可以由夹在两侧的RJ之间的部分表示.存在不是随机发生的特定原因,并且边缘的漂移不是随机分散,而是确定的(可预测的)抖动分量.RJ和DJ结合在一起称为总抖动(TJ).在不使用PLL电路的情况下直接产生输出频率的有源晶振几乎没有DJ分量,实际上只有RJ分量.

图2随机抖动和确定性抖动

图3各种抖动

　　根据抖动时序的定义方式,抖动分为相位抖动,周期抖动和周期间抖动.相位抖动是时钟边沿的理想时钟与被测信号之间的差的累加,根据情况称为长期抖动或累加抖动.周期抖动表示时钟周期的变化,而周期间抖动表示相邻时钟的周期之差的变化.

图4相位抖动,周期抖动和周期间抖动

(2)相位噪声和相位抖动
　　石英晶振相位噪声指的是相位波动的功率谱密度,提供了显示信号纯度的量度.相位噪声由与中心频率(偏移频率)相隔一定幅度的位置处的频率分量表示,噪声值越小,由于存在的噪声分量越少,信号被认为越好.相位噪声通常通过参考载波电功率对单边带附近的噪声进行归一化来表示.在图5中,具有相位噪声V(t)的信号波形以理想正弦波的相位项的形式表示,并加上相位变化量Φ(t).相位噪声和相位抖动由在频域和时域中获得的相位变化Φ(t)给出.

图5包括相位变化的输出电压

　　相位噪声在由功率谱密度SΦ定义的相位变化Φ(t)的频域中表示.实际上,通常使用单边带表示的单边带(SSB)相位噪声L(f),载波信号与总电功率之比在水平轴上以dBc/Hz表示,表示与载频.
(3)获得噪声性能优异的时钟信号
　　大真空振荡器中相位噪声的主要部分由晶体的Q值和信号电平以及振荡电路的噪声性能决定.在改善接近相位噪声的载波频率的相位噪声性能时,晶体的Q值起着特别重要的作用.
信号电平越高,与偏移频率无关,相位噪声电平就越低.通过将信号电平设置为系统允许的最大值,可以降低相位噪声.但是,适用于晶体的激发的上限受到限制.过高的激励水平可能会导致出现不必要的振荡模式,并使振荡变得异常.
　　泛音有助于确保高Q值,因此在偏移值附近有效.但是,您应注意泛音,因为它们会导致晶体和振荡电路中的电阻损耗增加,并且因为在高激励电平下运行会导致频率大幅波动,从而降低频率纯度.
　　另外,由于晶体的非线性,较大的电功率导致频率波动增加,并且在过度激励水平下的操作可能导致相位噪声的恶化.选择具有优异噪声性能的石英晶振非常重要.闪烁噪声的偏移频率会影响从载波频率变化到大约10kHz中频附近的频率区域,而热噪声会以与信号电平相同的方式影响整个偏移区域.
-获得有利的相位噪声-
　　1.确保振荡电路的Q值合适.
　　使用具有高Q值的石英晶振,并降低振荡电路的电阻损耗,以使振荡环路中的Q更高.
　　2.最小化设备噪声.
　　选择一个具有最小噪声系数(NF)和闪烁转角频率(Fc)的器件,以最小化半导体器件的热噪声,散粒噪声和闪烁噪声.
　　3.不要使用使用PLL电路的倍频方案,因为它会引起相位噪声的降低.
　　4.尽可能提高振荡器电路的驱动电平.
　　5.由于噪声特性是信号电平与噪声功率的相对值,因此信号电平越高,噪声特性越好.然而,这是在将晶体用于驱动电平特性平坦的区域中的条件下.
　　6.泛音提供高Q值,在偏移附近有用.但是请注意,由于频率波动会引起相位噪声的降低,因为泛音会使石英晶振和振荡电路中的电阻损耗增大,并且在较高驱动电平下的操作会增加导致频率波动的频率波动.信号纯度下降.
　　7.通过在距电源和接地端子的最短距离内放置旁路电容器,以限制电源噪声.
[推出新产品DSO531SHH]
　　在数字音频系统领域,众所周知,DAC中使用的参考时钟信号中的相位噪声会降低声音质量.为解决此问题,我们的新产品DSO531SHH是一款专门用于音频应用的晶体振荡器,在噪音表现.新产品不仅在振荡电路中采用了低噪声工艺,而且还采用了一种IC振荡电路,该IC振荡电路通过根据晶体的参数优化振动水平和负电阻来将相位噪声降至最低.与现有模型相比,这些创新的努力使我们能够将相位噪声降低10至20dB.还审查了有关RMS抖动的电路设计,该抖动已减小到现有模型的1/3左右.

　　这项设计回顾通过产生出色的信号质量,为改善数字音频设备的音质做出了贡献.与尺寸为3.2x2.5mm的较小陶瓷封装(3225尺寸)相比,采用尺寸为5.0x3.2mm(5032尺寸)的陶瓷封装有助于降低由于热波动和机械振动引起的信号波动.或在体积区域中为2.0x1.6毫米(2016年尺寸).此外,这款KDS晶振设计的优化可防止高驱动域中的邻域相位噪声恶化,从而在整个频带上确保稳定且令人满意的特性.
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