MtronPTI晶體振蕩器抖動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí)全面講解
　　MtronPTI Company是位于美國(guó)的頻率控制元器件方案商,和石英晶體振蕩器,TCXO溫補(bǔ)晶振,VCXO壓控振蕩器,OCXO恒溫振蕩器等產(chǎn)品的制造廠家.近年來MtronPTI晶振公司比較注重低相位抖動(dòng),低時(shí)鐘抖動(dòng)的晶體振蕩器設(shè)計(jì)與開發(fā),關(guān)于如何研發(fā)低抖動(dòng)振蕩器,MtronPTI公司有自己的一套方案和操作流程,本文主要講的就是MtronPTI振蕩器抖動(dòng)基礎(chǔ)的知識(shí),和方案流程.
[抖動(dòng)定義]
　　理想的時(shí)鐘信號(hào)為155.52MHz,對(duì)于一個(gè)完整的周期,其周期為6430皮秒.“無噪聲”波形的連續(xù)周期將精確測(cè)量為6430皮秒.會(huì)導(dǎo)致時(shí)鐘周期從6430pS變化的噪聲元素被稱為抖動(dòng).抖動(dòng)由確定性(來自電源噪聲等特定原因)和隨機(jī)內(nèi)容組成.抖動(dòng)的隨機(jī)部分可以使用高斯分布統(tǒng)計(jì)來表征.例如,僅包含隨機(jī)抖動(dòng)元素的155.52MHz石英振蕩器的周期的三百次連續(xù)測(cè)量將顯示為高斯分布(具有一個(gè)峰值).正負(fù)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差將包含所有周期測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)的68.26％:
　　+/-2sigma占所有測(cè)量值的95.4％.
　　+/-3sigma將包含99.73％.
　　+/-4sigma將包含99.99366％
　　+/-7sigma占所有已測(cè)量值的(100-1exp-12)％.
　　標(biāo)準(zhǔn)偏差較大的高斯分布將具有較寬的尾部,距離均值(越小和越大)的周期測(cè)量越多.從最小周期測(cè)量值到最大周期測(cè)量值的距離稱為皮秒級(jí)峰峰值抖動(dòng)水平.峰值取決于樣本量.同一被測(cè)石英晶振單元的較大樣品測(cè)量值將產(chǎn)生較大的峰峰值.標(biāo)準(zhǔn)偏差(1-sigma)的使用僅在純高斯分布中有效.如果分布中存在確定性抖動(dòng)(具有以下概述的特定原因),則基于整個(gè)抖動(dòng)直方圖的1-sigma估計(jì)發(fā)生概率是無效的.如果信號(hào)中存在確定性抖動(dòng),則周期測(cè)量的直方圖將包含多個(gè)峰值.諸如電源紋波之類的抖動(dòng)的主要成因可能是調(diào)制時(shí)鐘以產(chǎn)生多個(gè)峰值.或者,振蕩器信號(hào)可能包含很多次諧波功率.總抖動(dòng)是隨機(jī)抖動(dòng)與確定性抖動(dòng)相互作用的組合.
[抖動(dòng)來源]
　　隨機(jī)抖動(dòng)有很多來源.半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)的熱振動(dòng)導(dǎo)致遷移率根據(jù)材料的瞬時(shí)溫度而變化.隨機(jī)抖動(dòng)的另一個(gè)來源來自半導(dǎo)體工藝變化(例如不均勻的摻雜密度)帶來的缺陷.多個(gè)隨機(jī)抖動(dòng)源以RMS方式相加,但是將隨機(jī)抖動(dòng)添加到確定性抖動(dòng)以獲得峰到峰的總抖動(dòng)時(shí),需要一個(gè)峰峰值.
　　確定性抖動(dòng)是由可識(shí)別的干擾信號(hào)產(chǎn)生的.它總是在振幅范圍內(nèi),并且有特定的原因(不是隨機(jī)的).確定性抖動(dòng)可通過相鄰信號(hào)走線之間的串?dāng)_產(chǎn)生.當(dāng)來自一個(gè)導(dǎo)體的增量電感將來自相鄰信號(hào)線的感應(yīng)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電流時(shí),就會(huì)發(fā)生這種情況.該感應(yīng)電流會(huì)增大或減小電壓,從而引起抖動(dòng).
　　EMI輻射會(huì)導(dǎo)致確定性抖動(dòng).敏感信號(hào)路徑可能會(huì)受到來自EMI源的磁場(chǎng)的影響.EMI源包括電源,交流電源線和RF信號(hào)源.像串?dāng)_一樣,在定時(shí)信號(hào)路徑上會(huì)感應(yīng)出噪聲電流,從而調(diào)制定時(shí)信號(hào)電壓電平.
　　確定性抖動(dòng)可能是由多層基板電源層中的噪聲產(chǎn)生的.這種噪聲會(huì)改變邏輯門中的閾值電壓.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).在電源和接地層上可能會(huì)感應(yīng)出電流尖峰,從而為閾值電壓電平移動(dòng)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)字示波器來測(cè)量時(shí)域和頻域抖動(dòng).雖然本教程將簡(jiǎn)要討論測(cè)量技術(shù),但Wavecrest已使用其設(shè)備針對(duì)抖動(dòng)測(cè)量的基礎(chǔ)編寫了許多應(yīng)用筆記.
DTS測(cè)量技術(shù)(入門)
　　抖動(dòng)分析(入門).
　　DTS測(cè)量?jī)纱问录g的時(shí)間.內(nèi)部許多時(shí)間測(cè)量值(樣本)被編譯為直方圖(直接在下面的圖1).可以在前面板上查看基本統(tǒng)計(jì)信息,例如樣本大小,平均值,峰峰值和1-sigma.振蕩器輸出信號(hào)上的這些數(shù)據(jù)可以通過GPIB傳遞到Wavecrest Virtual Instruments軟件,API軟件或用戶的定制軟件.可以將成百上千個(gè)直方圖的數(shù)據(jù)編譯成圖,突出顯示有關(guān)輸出信號(hào)質(zhì)量的更多信息.這些圖中可以顯示抖動(dòng)累積的特定值,例如抖動(dòng)頻率和功率,以及確定性抖動(dòng)和隨機(jī)抖動(dòng)的大小.

圖1

　　DTS測(cè)量?jī)蓚€(gè)事件之間的時(shí)間,這兩個(gè)事件是閾值交叉.數(shù)字采樣示波器相對(duì)于觸發(fā)器測(cè)量相對(duì)于時(shí)間的電壓.基于事件的測(cè)量允許DTS在800飛秒(DTS的硬件分辨率)之內(nèi)確定實(shí)際邊緣位置.采樣示波器在采樣點(diǎn)之間插值數(shù)據(jù)以確定閾值穿越的時(shí)間.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)掩蓋抖動(dòng)因素.一家行業(yè)領(lǐng)先的石英晶振供應(yīng)商提供的特定數(shù)字示波器列出了1.5pS作為測(cè)量設(shè)置的均方根抖動(dòng)誤差.DTS使用事件的異步隨機(jī)采樣來建立事件時(shí)間的有效統(tǒng)計(jì)分布.它每21uS至25uS收集一次采樣,而與DUT工作頻率無關(guān).通過隨機(jī)化采集時(shí)間,就不可能掩蓋可能與采樣率匹配的抖動(dòng)信號(hào).
　　使用WavecrestDTS-2075測(cè)量來自4個(gè)振蕩器IC的1Sigma周期至周期抖動(dòng)數(shù)據(jù)

圖2

　　數(shù)字地面系統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)包括許多軟件工具來增強(qiáng)人們對(duì)波形特征的理解.抖動(dòng)分析工具允許用戶查看抖動(dòng)調(diào)制.例如,用戶可以測(cè)量數(shù)百或數(shù)千個(gè)直方圖,每個(gè)直方圖由波形周期的300個(gè)樣本測(cè)量組成.可以繪制所有這些樣本組的標(biāo)準(zhǔn)偏差,以顯示指定時(shí)間段內(nèi)累積的抖動(dòng)(如上圖2所示).其他有源晶振關(guān)鍵波形參數(shù),如上升時(shí)間、下降時(shí)間、傳播延遲和頻率,可以用這種方式進(jìn)行檢查.
　　時(shí)域數(shù)據(jù)可以通過使用快速傅立葉變換來確定抖動(dòng)分量的頻率和幅度而連接到頻域.本次討論范圍之外的高級(jí)軟件工具也可從波峰獲得.Tail-FitM算法使用戶能夠分析多峰分布(不止一個(gè)峰值).在非高斯分布中,當(dāng)可以計(jì)算這些尾部區(qū)域的等效1σ時(shí),高斯假設(shè)適用于尾部(最左邊和右邊的區(qū)域).通過這種方式,尾部擬合允許計(jì)算非高斯分布的外圍測(cè)量的概率發(fā)生.
　　因此,給定波形的峰峰值抖動(dòng)預(yù)測(cè)可以在上電后的十億個(gè)周期內(nèi)近似(具有非常高的置信度),而無需等待十億個(gè)信號(hào)周期完成.另一個(gè)高級(jí)軟件特性包括當(dāng)用戶指定頻率帶寬(如12千赫至20兆赫的SONET范圍)時(shí)積分抖動(dòng)的計(jì)算.根據(jù)設(shè)置中規(guī)定的石英晶振樣本測(cè)量數(shù)量,集成抖動(dòng)測(cè)試將需要每單位0.5至1.5分鐘的時(shí)間.
[振蕩器規(guī)定的抖動(dòng)類型]
時(shí)域測(cè)量
　　周期間抖動(dòng)測(cè)量相鄰周期之間的周期差異.峰峰值周期抖動(dòng)是周期測(cè)量值從最小值到最大值的分布寬度.峰峰值是從連續(xù)邊緣測(cè)量的直方圖中獲得的.采樣測(cè)量越多,最小和最大周期數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的差異就越大.樣本周期測(cè)量值的分布具有相關(guān)的均方根或標(biāo)準(zhǔn)偏差(1σ).
　　周期測(cè)量分布的1σ水平可用于計(jì)算誤碼率.預(yù)期誤碼率定義為當(dāng)峰峰值總抖動(dòng)(隨機(jī)加確定性)超過抖動(dòng)預(yù)算時(shí)導(dǎo)致比特錯(cuò)誤的概率.
下表列出了隨機(jī)抖動(dòng)(峰峰值)與誤碼率的關(guān)系:

數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的概率	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西格瑪)
10-13	PK表示14.7*rms
10-14	PK-PK=15.3*均方根

頻域測(cè)量
　　可以從MtronPTI的DTS時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)獲得指定帶寬上的集成抖動(dòng).例如,SONET標(biāo)準(zhǔn)要求在偏離載波頻率12KHz至20MHz的頻帶內(nèi)具有抖動(dòng)性能.根據(jù)所測(cè)樣品的數(shù)量,Wavecrest系統(tǒng)將在每單位30至90秒內(nèi)計(jì)算該值.
　　還可以從相位噪聲測(cè)量系統(tǒng)在給定的帶寬上獲得集成抖動(dòng).根據(jù)每個(gè)頻偏頻帶內(nèi)的平均值數(shù)量,測(cè)量可能需要長(zhǎng)達(dá)每分鐘4分鐘的時(shí)間.每種測(cè)量技術(shù)都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn).MtronPTI技術(shù)支持的補(bǔ)充討論可以更詳細(xì)地介紹這些測(cè)量技術(shù)的差異.
　　在特定的155.52MHz LV-PECL差分晶振產(chǎn)品上,在12KHz至20MHz的頻帶中,集成抖動(dòng)為1.08pS.相同的DUT在時(shí)域中測(cè)得的逐周期1-sigma值為5.99pS.時(shí)域中的峰峰為45.8pS.
　　盡管由于積分相位抖動(dòng)的數(shù)量較小,看起來看起來更好,但時(shí)域測(cè)量仍傳達(dá)有關(guān)振蕩器波形噪聲特征的相同信息.
[將相位噪聲數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為集成相位抖動(dòng)]
　　有很多論文描述了如何根據(jù)相位噪聲來推導(dǎo)表達(dá)RMS抖動(dòng)的方程式.我們將向您展示的是為MicrosoftExcel電子表格開發(fā)的實(shí)用應(yīng)用程序.任何對(duì)分析相位噪聲數(shù)據(jù)感興趣的工程師都可以使用此工具.我們從建立良好的方程式開始,以相位噪聲為單位,以秒為單位計(jì)算RMS抖動(dòng).
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　　fo=載波頻率,單位Hz
　　f1,f2=感興趣的偏移頻率范圍,以Hz為單位
　　Φ=弧度的相位噪聲2/Hz
　　dBc=相對(duì)于載波的相位噪聲功率
　　SΦ(f)=特定偏移頻率f上的頻譜密度,單位為Hz,(請(qǐng)參見等式2).
　　Φ與等式3的相位噪聲功率有關(guān).在等式2中代入Φ,我們?cè)诘仁?中得出對(duì)SΦ(f)的最終定義.
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為了近似積分,我們使用梯形等式5的總和.
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　　相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)沿對(duì)數(shù)標(biāo)度繪制頻率,每十年至少應(yīng)選擇3個(gè)點(diǎn).例如,為了獲得均勻分布的點(diǎn),我們選擇使用10、20、50、100、200…等方法.點(diǎn)越多,相關(guān)性越好.剩下的就是取求和的平方根,然后除以(2*PI*Fo).我們已經(jīng)描述了使此任務(wù)輕松實(shí)現(xiàn)以電子表格實(shí)現(xiàn)或?qū)⑵渚幋a為BASIC或C程序所需的所有步驟,下面列出了以下結(jié)果,將該方法與Aeroflex PN9000相噪測(cè)試儀進(jìn)行了比較,使用n=16點(diǎn)10Hz至1MHz.

[供應(yīng)商與客戶之間抖動(dòng)抖動(dòng)的相關(guān)性]
　　無論指定哪種類型的抖動(dòng),都應(yīng)確定將導(dǎo)致最終產(chǎn)品無法滿足其系統(tǒng)要求的最大振蕩器抖動(dòng)級(jí)別.在大多數(shù)情況下,振蕩器抖動(dòng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)抖動(dòng)的貢獻(xiàn)為25％或更少.為了幫助振蕩器公司在客戶板上模擬操作,應(yīng)將有關(guān)噪聲波蕩到石英晶振電源中的信息提供給供應(yīng)商.然后,可以在有或沒有電源線噪聲注入的情況下執(zhí)行抖動(dòng)測(cè)量,以便客戶更好地了解設(shè)備在受到“板載”信號(hào)干擾的情況下的性能.
MtronPTI向其客戶群建議:
　　1) .使用50000個(gè)周期來指定時(shí)域1-sigma抖動(dòng)和峰峰值.
　　2) .還應(yīng)指定SONET帶寬(12KHz至20MHz)上的集成相位抖動(dòng).
　　3) .應(yīng)指定不同頻率偏移處的相位噪聲性能,以使振蕩器供應(yīng)商能夠全面了解晶體振蕩器信號(hào)噪聲曲線.
　　金洛鑫電子與MtronPTI Company早已開始合作,可提供他們家任意一款石英晶振產(chǎn)品,絕對(duì)的原廠原裝正品,部分常規(guī)料號(hào)備有現(xiàn)貨,可隨時(shí)供應(yīng),如有需求請(qǐng)?zhí)崆跋聠?
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