关于晶体振荡器的时钟抖动与相位噪声特性,我们都接触过许多相关的资料,可以说已经研究得比较彻底,但不同的晶体制造商使用的时钟抖动与相位噪声技术并不完全相同.例如大家都比较熟悉的KDS晶振公司,其在生产过程中,采用了许多自己研发的新技术,新流程,增加晶振产品的性能和稳定性.KDS对于时钟抖动与相位噪声,有着独特的见解和应用技术,可满足不同产品的需求,因此这几十年来,KDS Oscillator系列的销量始终名列前茅,被越来越多的厂家使用.

由于其优异的频率稳定性,使用它们的石英晶体和晶体振荡器在许多电子设备中用作高质量时钟信号源.不仅具有长期稳定性或静态稳定性,如频率稳定性,温度特性和老化特性,而且由于晶体单元的高Q值导致的相位噪声和抖动性能所代表的短期稳定性.这很棒.

近年来,随着信息量的增加,需要在诸如信息通信设备的各种电子设备中使用的石英晶体振荡器降低参考时钟信号速度和噪声.例如,在许多应用中,例如数字无线通信中的多级调制,对车载毫米波雷达的高分辨率的需求,以及通过数字音频中的DA转换,相位噪声和更高的原始声音再现性的追求.需要具有优异噪声性能(如抖动性能)的高质量时钟信号源.

抖动和相位噪声:

(1)抖动

石英晶振抖动表示由时钟信号波形的时间轴方向的波动引起的时钟边缘与理想位置的偏差.如图所示,与远离触发点一个周期的边缘部分的原始位置相比,晶体振荡器的输出电压波形具有一定的波动范围.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波动.通常,它表示为直方图的RMS值或峰峰值.有三个单位:rad,秒和单位间隔(UI).通常,在许多情况下使用秒.

图1:晶体振荡器输出波形和周期抖动

抖动可大致分为随机抖动(RJ)和确定性抖动(DJ),具体取决于原因.RJ是由于半导体器件的热噪声和散粒噪声而自然发生的抖动.因为它是由许多小噪声生成过程的累积引起的,所以分布形状可以近似为正态分布.

另一方面,DJ是由各种常规因素(由电路设计,电磁感应和外部环境引起)引起的,并且根据原因分为周期抖动(PJ)和数据相关抖动(DDJ)..分布的变化宽度具有带边界的特征,并且可以由左右RJ之间的部分表示.存在非随机的特定原因,并且边缘未对准不是随机变化而是确定性(可预测的)抖动分量.RJ和DJ一起称为总抖动(TJ).在不使用PLL电路直接振荡输出频率的KDS有源晶振中,几乎没有DJ组件,实际上只有RJ组件.

图2:随机和确定性抖动

抖动分为相位抖动,周期抖动和周期抖动,具体取决于抖动定时的定义方式.相位抖动是时钟边沿的理想时钟与被测信号之间的累积差值,有时也称为长期抖动或累积抖动.周期抖动是时钟周期的变化,KDS晶振周期间抖动是相邻时钟周期之间差异的变化.

图3:相位抖动,周期抖动,周期间抖动

●相位抖动

差异与理想时钟的差异

Δtn=tn-nT

●周期抖动

被测信号周期的变化

Tn=tn-tn-1

●周期之间的抖动

(周期到周期抖动)

相邻时钟周期差异的变化

Tn+1-Tn=(tn+1-tn)-(tn-tn-1)

(2)相位噪声和相位抖动

贴片振荡器相位噪声是相位波动的功率谱密度,是信号纯度的量度.表示为远离中心频率的特定值的位置(偏移频率)处的频率分量,值越小,信号越好.通常,单边带近场噪声由载波功率归一化.图5示出了具有相位噪声的信号波形V(t),其形式为理想的正弦波相位加上相位变化Φ(t).通过计算频域和时域中的相位波动Φ(t)来获得相位噪声和相位抖动.

图4:输出电压包括相位变化

相位噪声用相位变动φ(t)的频域表现,由φ(t)的功率谱密度sφ定义.实际上,KDS晶振通常使用单边带表示的单边带(SSB)相位噪声L(f),在横轴上用dBc/Hz表示载波信号与总功率的比,在横轴上用dBc/Hz表示载波频率的偏移量.

图5:SSB相位噪声

相位抖动是表示时间轴上的相位波动的噪声指数,可以说是Φ(t)本身.相位抖动的RMS值是Φ(t)的均方根

由于难以在时域中精确地测量Φ(t),因此通常使用测量相位噪声并将其转换为相位抖动的方法,如下所示.相位波动的功率谱密度SΦ大约在一个边带中评估的SSB相位噪声L(f)之间.

建立了这种关系.此时,通过将相位噪声SΦ的测量值积分在指定的偏移带宽上来获得相位抖动.

计算该区域的相位抖动

图7:SSB相位噪声的相位抖动计算

为了获得良好的相位噪声请注意以下事项:

1.确保振荡电路的Q值

KDS晶振的Q值越高,振荡电路的电阻损失越小,振荡环的Q值越高.

2.降低设备噪音

选择具有低噪声系数NF和闪烁转角频率的器件,以降低半导体产生的噪声,如热噪声,散粒噪声和闪烁噪声.

3.PLL电路的倍频会导致相位噪声降低.

4.将振荡电路的激励电平提高到允许的范围内.

5.噪声特性是信号电平和噪声功率的相对值,因此信号电平越高,越有利.但是,必须在平坦区域中使用SMD晶体的激励电平特性.

6.Overtone提供高Q值,并且在偏移附近有效.但是,必须注意,因为当晶体和振荡电路的电阻损失增加时或者当电路以高激励电平工作时,由于频率波动导致相位噪声恶化.

7.如有必要,请将旁路电容尽可能靠近电源和GND引脚放置,以抑制电源噪声.

获得具有优异噪声性能的时钟信号:

晶体振荡器的相位噪声很大程度上取决于KDS Crystal单元的Q值和信号电平以及振荡电路的噪声性能.为了改善相位噪声的载波频率附近的相位噪声,晶体单元的Q值特别重要.信号电平越大,相位噪声电平越低,与偏移频率无关.通过在系统中将信号电平设置得尽可能大,可以降低相位噪声,但是可以应用于晶体单元的激励电平存在上限.如果激励水平太高,则可能发生不必要的振动模式并且振荡状态可能异常.

泛音提供高Q值并且在偏移附近有效.但是,注意晶体和振荡电路的电阻损失增加,并且在高激励水平下操作增加了频率波动并降低了信号纯度.这是必要的.另外,由于晶体振荡器的非线性引起的频率波动随着功率增加而增加,因此在过激励电平下的操作也会引起相位噪声劣化.选择具有良好噪声性能的半导体器件非常重要.闪烁噪声影响中频附近,其中偏移频率距载波附近约10kHz,并且热噪声同样影响整个偏移频带以及信号电平.