MtronPTI晶体振荡器抖动基础知识全面讲解
　　MtronPTI Company是位于美国的频率控制元器件方案商,和石英晶体振荡器,TCXO温补晶振,VCXO压控振荡器,OCXO恒温振荡器等产品的制造厂家.近年来MtronPTI晶振公司比较注重低相位抖动,低时钟抖动的晶体振荡器设计与开发,关于如何研发低抖动振荡器,MtronPTI公司有自己的一套方案和操作流程,本文主要讲的就是MtronPTI振荡器抖动基础的知识,和方案流程.
[抖动定义]
　　理想的时钟信号为155.52MHz,对于一个完整的周期,其周期为6430皮秒.“无噪声”波形的连续周期将精确测量为6430皮秒.会导致时钟周期从6430pS变化的噪声元素被称为抖动.抖动由确定性(来自电源噪声等特定原因)和随机内容组成.抖动的随机部分可以使用高斯分布统计来表征.例如,仅包含随机抖动元素的155.52MHz石英振荡器的周期的三百次连续测量将显示为高斯分布(具有一个峰值).正负一个标准偏差将包含所有周期测量数据点的68.26％:
　　+/-2sigma占所有测量值的95.4％.
　　+/-3sigma将包含99.73％.
　　+/-4sigma将包含99.99366％
　　+/-7sigma占所有已测量值的(100-1exp-12)％.
　　标准偏差较大的高斯分布将具有较宽的尾部,距离均值(越小和越大)的周期测量越多.从最小周期测量值到最大周期测量值的距离称为皮秒级峰峰值抖动水平.峰值取决于样本量.同一被测石英晶振单元的较大样品测量值将产生较大的峰峰值.标准偏差(1-sigma)的使用仅在纯高斯分布中有效.如果分布中存在确定性抖动(具有以下概述的特定原因),则基于整个抖动直方图的1-sigma估计发生概率是无效的.如果信号中存在确定性抖动,则周期测量的直方图将包含多个峰值.诸如电源纹波之类的抖动的主要成因可能是调制时钟以产生多个峰值.或者,振荡器信号可能包含很多次谐波功率.总抖动是随机抖动与确定性抖动相互作用的组合.
[抖动来源]
　　随机抖动有很多来源.半导体晶体结构的热振动导致迁移率根据材料的瞬时温度而变化.随机抖动的另一个来源来自半导体工艺变化(例如不均匀的掺杂密度)带来的缺陷.多个随机抖动源以RMS方式相加,但是将随机抖动添加到确定性抖动以获得峰到峰的总抖动时,需要一个峰峰值.
　　确定性抖动是由可识别的干扰信号产生的.它总是在振幅范围内,并且有特定的原因(不是随机的).确定性抖动可通过相邻信号走线之间的串扰产生.当来自一个导体的增量电感将来自相邻信号线的感应磁场转换为感应电流时,就会发生这种情况.该感应电流会增大或减小电压,从而引起抖动.
　　EMI辐射会导致确定性抖动.敏感信号路径可能会受到来自EMI源的磁场的影响.EMI源包括电源,交流电源线和RF信号源.像串扰一样,在定时信号路径上会感应出噪声电流,从而调制定时信号电压电平.
　　确定性抖动可能是由多层基板电源层中的噪声产生的.这种噪声会改变逻辑门中的阈值电压.或者,在阈值电压下接地参考的变化将导致改变所需的电压以切换栅极.当多个门同时切换到相同的逻辑状态时,可能会出现确定性抖动.在电源和接地层上可能会感应出电流尖峰,从而为阈值电压电平移动创造了另一个机会.
[MTRONPTI如何测量抖动]
　　MtronPTI晶振使用Wavecrest的时间测量系统,相位噪声系统和数字示波器来测量时域和频域抖动.虽然本教程将简要讨论测量技术,但Wavecrest已使用其设备针对抖动测量的基础编写了许多应用笔记.
DTS测量技术(入门)
　　抖动分析(入门).
　　DTS测量两次事件之间的时间.内部许多时间测量值(样本)被编译为直方图(直接在下面的图1).可以在前面板上查看基本统计信息,例如样本大小,平均值,峰峰值和1-sigma.振荡器输出信号上的这些数据可以通过GPIB传递到Wavecrest Virtual Instruments软件,API软件或用户的定制软件.可以将成百上千个直方图的数据编译成图,突出显示有关输出信号质量的更多信息.这些图中可以显示抖动累积的特定值,例如抖动频率和功率,以及确定性抖动和随机抖动的大小.

图1

　　DTS测量两个事件之间的时间,这两个事件是阈值交叉.数字采样示波器相对于触发器测量相对于时间的电压.基于事件的测量允许DTS在800飞秒(DTS的硬件分辨率)之内确定实际边缘位置.采样示波器在采样点之间插值数据以确定阈值穿越的时间.由于示波器取决于触发信号的使用,因此该波形上的任何抖动都可能会掩盖抖动因素.一家行业领先的石英晶振供应商提供的特定数字示波器列出了1.5pS作为测量设置的均方根抖动误差.DTS使用事件的异步随机采样来建立事件时间的有效统计分布.它每21uS至25uS收集一次采样,而与DUT工作频率无关.通过随机化采集时间,就不可能掩盖可能与采样率匹配的抖动信号.
　　使用WavecrestDTS-2075测量来自4个振荡器IC的1Sigma周期至周期抖动数据

图2

　　数字地面系统测量系统包括许多软件工具来增强人们对波形特征的理解.抖动分析工具允许用户查看抖动调制.例如,用户可以测量数百或数千个直方图,每个直方图由波形周期的300个样本测量组成.可以绘制所有这些样本组的标准偏差,以显示指定时间段内累积的抖动(如上图2所示).其他有源晶振关键波形参数,如上升时间、下降时间、传播延迟和频率,可以用这种方式进行检查.
　　时域数据可以通过使用快速傅立叶变换来确定抖动分量的频率和幅度而连接到频域.本次讨论范围之外的高级软件工具也可从波峰获得.Tail-FitM算法使用户能够分析多峰分布(不止一个峰值).在非高斯分布中,当可以计算这些尾部区域的等效1σ时,高斯假设适用于尾部(最左边和右边的区域).通过这种方式,尾部拟合允许计算非高斯分布的外围测量的概率发生.
　　因此,给定波形的峰峰值抖动预测可以在上电后的十亿个周期内近似(具有非常高的置信度),而无需等待十亿个信号周期完成.另一个高级软件特性包括当用户指定频率带宽(如12千赫至20兆赫的SONET范围)时积分抖动的计算.根据设置中规定的石英晶振样本测量数量,集成抖动测试将需要每单位0.5至1.5分钟的时间.
[振荡器规定的抖动类型]
时域测量
　　周期间抖动测量相邻周期之间的周期差异.峰峰值周期抖动是周期测量值从最小值到最大值的分布宽度.峰峰值是从连续边缘测量的直方图中获得的.采样测量越多,最小和最大周期数据点之间的差异就越大.样本周期测量值的分布具有相关的均方根或标准偏差(1σ).
　　周期测量分布的1σ水平可用于计算误码率.预期误码率定义为当峰峰值总抖动(随机加确定性)超过抖动预算时导致比特错误的概率.
下表列出了随机抖动(峰峰值)与误码率的关系:

数据错误的概率	峰到峰=n*rms
10-10	PK表示12.7*rms
10-11	PK表示13.4*rms
10-12	PK表示14.1*rms(+/-7西格玛)
10-13	PK表示14.7*rms
10-14	PK-PK=15.3*均方根

频域测量
　　可以从MtronPTI的DTS时间测量系统获得指定带宽上的集成抖动.例如,SONET标准要求在偏离载波频率12KHz至20MHz的频带内具有抖动性能.根据所测样品的数量,Wavecrest系统将在每单位30至90秒内计算该值.
　　还可以从相位噪声测量系统在给定的带宽上获得集成抖动.根据每个频偏频带内的平均值数量,测量可能需要长达每分钟4分钟的时间.每种测量技术都有其优点和缺点.MtronPTI技术支持的补充讨论可以更详细地介绍这些测量技术的差异.
　　在特定的155.52MHz LV-PECL差分晶振产品上,在12KHz至20MHz的频带中,集成抖动为1.08pS.相同的DUT在时域中测得的逐周期1-sigma值为5.99pS.时域中的峰峰为45.8pS.
　　尽管由于积分相位抖动的数量较小,看起来看起来更好,但时域测量仍传达有关振荡器波形噪声特征的相同信息.
[将相位噪声数据转换为集成相位抖动]
　　有很多论文描述了如何根据相位噪声来推导表达RMS抖动的方程式.我们将向您展示的是为MicrosoftExcel电子表格开发的实用应用程序.任何对分析相位噪声数据感兴趣的工程师都可以使用此工具.我们从建立良好的方程式开始,以相位噪声为单位,以秒为单位计算RMS抖动.
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　　fo=载波频率,单位Hz
　　f1,f2=感兴趣的偏移频率范围,以Hz为单位
　　Φ=弧度的相位噪声2/Hz
　　dBc=相对于载波的相位噪声功率
　　SΦ(f)=特定偏移频率f上的频谱密度,单位为Hz,(请参见等式2).
　　Φ与等式3的相位噪声功率有关.在等式2中代入Φ,我们在等式4中得出对SΦ(f)的最终定义.
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为了近似积分,我们使用梯形等式5的总和.
MtronPTI晶体振荡器抖动基础知识全面讲解

　　相位噪声测试系统沿对数标度绘制频率,每十年至少应选择3个点.例如,为了获得均匀分布的点,我们选择使用10、20、50、100、200…等方法.点越多,相关性越好.剩下的就是取求和的平方根,然后除以(2*PI*Fo).我们已经描述了使此任务轻松实现以电子表格实现或将其编码为BASIC或C程序所需的所有步骤,下面列出了以下结果,将该方法与Aeroflex PN9000相噪测试仪进行了比较,使用n=16点10Hz至1MHz.

[供应商与客户之间抖动抖动的相关性]
　　无论指定哪种类型的抖动,都应确定将导致最终产品无法满足其系统要求的最大振荡器抖动级别.在大多数情况下,振荡器抖动对整个系统抖动的贡献为25％或更少.为了帮助振荡器公司在客户板上模拟操作,应将有关噪声波荡到石英晶振电源中的信息提供给供应商.然后,可以在有或没有电源线噪声注入的情况下执行抖动测量,以便客户更好地了解设备在受到“板载”信号干扰的情况下的性能.
MtronPTI向其客户群建议:
　　1) .使用50000个周期来指定时域1-sigma抖动和峰峰值.
　　2) .还应指定SONET带宽(12KHz至20MHz)上的集成相位抖动.
　　3) .应指定不同频率偏移处的相位噪声性能,以使振荡器供应商能够全面了解晶体振荡器信号噪声曲线.
　　金洛鑫电子与MtronPTI Company早已开始合作,可提供他们家任意一款石英晶振产品,绝对的原厂原装正品,部分常规料号备有现货,可随时供应,如有需求请提前下单!
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