KDS晶體振蕩器相位噪聲和時鐘抖動性能技術(shù)報告下載
來源：http://www.djbyg.com 作者：金洛鑫電子 2019年11月06
KDS晶體振蕩器相位噪聲和時鐘抖動性能技術(shù)報告下載
如今的頻率組件市場越來越趨向于小型化和高性能方向發(fā)展,石英晶體振蕩器的使用次數(shù)也越來越頻率,株式會社大真空作為世界排名前10的晶振品牌,多年來始終努力提高旗下石英晶體和晶體振蕩器產(chǎn)品的性能和品質(zhì).KDS晶體振蕩器以尺寸小,精度高,性能好,穩(wěn)定性高,低老化率,高精密等優(yōu)勢著稱,部分產(chǎn)品搭載了低相位噪聲,和低時鐘抖動性能,這類型的振蕩器都是用于要求比較高軍用,工業(yè),商業(yè)等級別的產(chǎn)品身上.
近來,需要在包括信息和通信設(shè)備的不同電子設(shè)備中使用的晶體振蕩器,以隨著信息量的增加進(jìn)一步降低噪聲以及使參考時鐘信號高速化.許多應(yīng)用都需要高質(zhì)量的時鐘信號源,例如縮小相位噪聲的偏差,增加正交幅度調(diào)制系統(tǒng)的使用趨勢,提高機(jī)載毫米波雷達(dá)的分辨率以及忠實再現(xiàn)原始聲音的趨勢.
用于數(shù)字音頻系統(tǒng)的DA轉(zhuǎn)換時鐘.具有出色的頻率穩(wěn)定性,晶體或包含它們的晶體振蕩器被用作許多類型電子設(shè)備中時鐘的高質(zhì)量信號源.晶體或晶體振蕩器不僅在長期或靜態(tài)穩(wěn)定性(例如頻率穩(wěn)定性,溫度特性和老化特性)方面表現(xiàn)出色,而且由于晶振的高Q值,其相位噪聲和抖動性能代表的短期高穩(wěn)定性也很出色.
抖動和相位噪聲說明:
(1)抖動
抖動表示由于時鐘信號波形在時間軸方向上的波動而發(fā)生的偏離時鐘邊緣理想位置的漂移.如圖所示,KDS晶體振蕩器的輸出電壓波形顯示出從該波形最初應(yīng)位于與觸發(fā)點隔開一個周期的邊緣部分起的位置起的某個波動范圍.這種波動稱為周期抖動,因為它對應(yīng)于一個時鐘周期的時間變化.這種波動通常以直方圖的RMS或峰峰值表示.rad,second和unitinterval(UI)三種單位可用來表示波動.但是,在大多數(shù)情況下,通常以秒為單位.
圖1晶體振蕩器的輸出波形和周期抖動
根據(jù)抖動的發(fā)生原因,可以將抖動大致分為隨機(jī)抖動(RJ)和確定性抖動(DJ).RJ是由半導(dǎo)體器件中的熱噪聲或散粒噪聲自發(fā)發(fā)生的.由于RJ是由于許多微小噪聲生成過程的累積而發(fā)生的,因此其分布形狀近似于正態(tài)分布.
另一方面,DJ由電路設(shè)計,電磁感應(yīng)和外部感應(yīng)等各種有規(guī)律的因素產(chǎn)生,根據(jù)其發(fā)生的原因分為周期性抖動(PJ)和數(shù)據(jù)相關(guān)抖動(DDJ).其分布的變化幅度具有帶有邊界的特性,該邊界可以由夾在兩側(cè)的RJ之間的部分表示.存在不是隨機(jī)發(fā)生的特定原因,并且邊緣的漂移不是隨機(jī)分散,而是確定的(可預(yù)測的)抖動分量.RJ和DJ結(jié)合在一起稱為總抖動(TJ).在不使用PLL電路的情況下直接產(chǎn)生輸出頻率的有源晶振幾乎沒有DJ分量,實際上只有RJ分量.
圖2隨機(jī)抖動和確定性抖動
圖3各種抖動
根據(jù)抖動時序的定義方式,抖動分為相位抖動,周期抖動和周期間抖動.相位抖動是時鐘邊沿的理想時鐘與被測信號之間的差的累加,根據(jù)情況稱為長期抖動或累加抖動.周期抖動表示時鐘周期的變化,而周期間抖動表示相鄰時鐘的周期之差的變化.
圖4相位抖動,周期抖動和周期間抖動
(2)相位噪聲和相位抖動
石英晶振相位噪聲指的是相位波動的功率譜密度,提供了顯示信號純度的量度.相位噪聲由與中心頻率(偏移頻率)相隔一定幅度的位置處的頻率分量表示,噪聲值越小,由于存在的噪聲分量越少,信號被認(rèn)為越好.相位噪聲通常通過參考載波電功率對單邊帶附近的噪聲進(jìn)行歸一化來表示.在圖5中,具有相位噪聲V(t)的信號波形以理想正弦波的相位項的形式表示,并加上相位變化量Φ(t).相位噪聲和相位抖動由在頻域和時域中獲得的相位變化Φ(t)給出.
圖5包括相位變化的輸出電壓
相位噪聲在由功率譜密度SΦ定義的相位變化Φ(t)的頻域中表示.實際上,通常使用單邊帶表示的單邊帶(SSB)相位噪聲L(f),載波信號與總電功率之比在水平軸上以dBc/Hz表示,表示與載頻.
(3)獲得噪聲性能優(yōu)異的時鐘信號
大真空振蕩器中相位噪聲的主要部分由晶體的Q值和信號電平以及振蕩電路的噪聲性能決定.在改善接近相位噪聲的載波頻率的相位噪聲性能時,晶體的Q值起著特別重要的作用.
信號電平越高,與偏移頻率無關(guān),相位噪聲電平就越低.通過將信號電平設(shè)置為系統(tǒng)允許的最大值,可以降低相位噪聲.但是,適用于晶體的激發(fā)的上限受到限制.過高的激勵水平可能會導(dǎo)致出現(xiàn)不必要的振蕩模式,并使振蕩變得異常.
泛音有助于確保高Q值,因此在偏移值附近有效.但是,您應(yīng)注意泛音,因為它們會導(dǎo)致晶體和振蕩電路中的電阻損耗增加,并且因為在高激勵電平下運行會導(dǎo)致頻率大幅波動,從而降低頻率純度.
另外,由于晶體的非線性,較大的電功率導(dǎo)致頻率波動增加,并且在過度激勵水平下的操作可能導(dǎo)致相位噪聲的惡化.選擇具有優(yōu)異噪聲性能的石英晶振非常重要.閃爍噪聲的偏移頻率會影響從載波頻率變化到大約10kHz中頻附近的頻率區(qū)域,而熱噪聲會以與信號電平相同的方式影響整個偏移區(qū)域.
-獲得有利的相位噪聲-
1.確保振蕩電路的Q值合適.
使用具有高Q值的石英晶振,并降低振蕩電路的電阻損耗,以使振蕩環(huán)路中的Q更高.
2.最小化設(shè)備噪聲.
選擇一個具有最小噪聲系數(shù)(NF)和閃爍轉(zhuǎn)角頻率(Fc)的器件,以最小化半導(dǎo)體器件的熱噪聲,散粒噪聲和閃爍噪聲.
3.不要使用使用PLL電路的倍頻方案,因為它會引起相位噪聲的降低.
4.盡可能提高振蕩器電路的驅(qū)動電平.
5.由于噪聲特性是信號電平與噪聲功率的相對值,因此信號電平越高,噪聲特性越好.然而,這是在將晶體用于驅(qū)動電平特性平坦的區(qū)域中的條件下.
6.泛音提供高Q值,在偏移附近有用.但是請注意,由于頻率波動會引起相位噪聲的降低,因為泛音會使石英晶振和振蕩電路中的電阻損耗增大,并且在較高驅(qū)動電平下的操作會增加導(dǎo)致頻率波動的頻率波動.信號純度下降.
7.通過在距電源和接地端子的最短距離內(nèi)放置旁路電容器,以限制電源噪聲.
[推出新產(chǎn)品DSO531SHH]
在數(shù)字音頻系統(tǒng)領(lǐng)域,眾所周知,DAC中使用的參考時鐘信號中的相位噪聲會降低聲音質(zhì)量.為解決此問題,我們的新產(chǎn)品DSO531SHH是一款專門用于音頻應(yīng)用的晶體振蕩器,在噪音表現(xiàn).新產(chǎn)品不僅在振蕩電路中采用了低噪聲工藝,而且還采用了一種IC振蕩電路,該IC振蕩電路通過根據(jù)晶體的參數(shù)優(yōu)化振動水平和負(fù)電阻來將相位噪聲降至最低.與現(xiàn)有模型相比,這些創(chuàng)新的努力使我們能夠?qū)⑾辔辉肼暯档?0至20dB.還審查了有關(guān)RMS抖動的電路設(shè)計,該抖動已減小到現(xiàn)有模型的1/3左右.
這項設(shè)計回顧通過產(chǎn)生出色的信號質(zhì)量,為改善數(shù)字音頻設(shè)備的音質(zhì)做出了貢獻(xiàn).與尺寸為3.2x2.5mm的較小陶瓷封裝(3225尺寸)相比,采用尺寸為5.0x3.2mm(5032尺寸)的陶瓷封裝有助于降低由于熱波動和機(jī)械振動引起的信號波動.或在體積區(qū)域中為2.0x1.6毫米(2016年尺寸).此外,這款KDS晶振設(shè)計的優(yōu)化可防止高驅(qū)動域中的鄰域相位噪聲惡化,從而在整個頻帶上確保穩(wěn)定且令人滿意的特性.
KDS晶體振蕩器相位噪聲和時鐘抖動性能技術(shù)報告下載
如今的頻率組件市場越來越趨向于小型化和高性能方向發(fā)展,石英晶體振蕩器的使用次數(shù)也越來越頻率,株式會社大真空作為世界排名前10的晶振品牌,多年來始終努力提高旗下石英晶體和晶體振蕩器產(chǎn)品的性能和品質(zhì).KDS晶體振蕩器以尺寸小,精度高,性能好,穩(wěn)定性高,低老化率,高精密等優(yōu)勢著稱,部分產(chǎn)品搭載了低相位噪聲,和低時鐘抖動性能,這類型的振蕩器都是用于要求比較高軍用,工業(yè),商業(yè)等級別的產(chǎn)品身上.
近來,需要在包括信息和通信設(shè)備的不同電子設(shè)備中使用的晶體振蕩器,以隨著信息量的增加進(jìn)一步降低噪聲以及使參考時鐘信號高速化.許多應(yīng)用都需要高質(zhì)量的時鐘信號源,例如縮小相位噪聲的偏差,增加正交幅度調(diào)制系統(tǒng)的使用趨勢,提高機(jī)載毫米波雷達(dá)的分辨率以及忠實再現(xiàn)原始聲音的趨勢.
用于數(shù)字音頻系統(tǒng)的DA轉(zhuǎn)換時鐘.具有出色的頻率穩(wěn)定性,晶體或包含它們的晶體振蕩器被用作許多類型電子設(shè)備中時鐘的高質(zhì)量信號源.晶體或晶體振蕩器不僅在長期或靜態(tài)穩(wěn)定性(例如頻率穩(wěn)定性,溫度特性和老化特性)方面表現(xiàn)出色,而且由于晶振的高Q值,其相位噪聲和抖動性能代表的短期高穩(wěn)定性也很出色.
抖動和相位噪聲說明:
(1)抖動
抖動表示由于時鐘信號波形在時間軸方向上的波動而發(fā)生的偏離時鐘邊緣理想位置的漂移.如圖所示,KDS晶體振蕩器的輸出電壓波形顯示出從該波形最初應(yīng)位于與觸發(fā)點隔開一個周期的邊緣部分起的位置起的某個波動范圍.這種波動稱為周期抖動,因為它對應(yīng)于一個時鐘周期的時間變化.這種波動通常以直方圖的RMS或峰峰值表示.rad,second和unitinterval(UI)三種單位可用來表示波動.但是,在大多數(shù)情況下,通常以秒為單位.
圖1晶體振蕩器的輸出波形和周期抖動
另一方面,DJ由電路設(shè)計,電磁感應(yīng)和外部感應(yīng)等各種有規(guī)律的因素產(chǎn)生,根據(jù)其發(fā)生的原因分為周期性抖動(PJ)和數(shù)據(jù)相關(guān)抖動(DDJ).其分布的變化幅度具有帶有邊界的特性,該邊界可以由夾在兩側(cè)的RJ之間的部分表示.存在不是隨機(jī)發(fā)生的特定原因,并且邊緣的漂移不是隨機(jī)分散,而是確定的(可預(yù)測的)抖動分量.RJ和DJ結(jié)合在一起稱為總抖動(TJ).在不使用PLL電路的情況下直接產(chǎn)生輸出頻率的有源晶振幾乎沒有DJ分量,實際上只有RJ分量.
圖2隨機(jī)抖動和確定性抖動
圖3各種抖動
圖4相位抖動,周期抖動和周期間抖動
石英晶振相位噪聲指的是相位波動的功率譜密度,提供了顯示信號純度的量度.相位噪聲由與中心頻率(偏移頻率)相隔一定幅度的位置處的頻率分量表示,噪聲值越小,由于存在的噪聲分量越少,信號被認(rèn)為越好.相位噪聲通常通過參考載波電功率對單邊帶附近的噪聲進(jìn)行歸一化來表示.在圖5中,具有相位噪聲V(t)的信號波形以理想正弦波的相位項的形式表示,并加上相位變化量Φ(t).相位噪聲和相位抖動由在頻域和時域中獲得的相位變化Φ(t)給出.
圖5包括相位變化的輸出電壓
(3)獲得噪聲性能優(yōu)異的時鐘信號
大真空振蕩器中相位噪聲的主要部分由晶體的Q值和信號電平以及振蕩電路的噪聲性能決定.在改善接近相位噪聲的載波頻率的相位噪聲性能時,晶體的Q值起著特別重要的作用.
信號電平越高,與偏移頻率無關(guān),相位噪聲電平就越低.通過將信號電平設(shè)置為系統(tǒng)允許的最大值,可以降低相位噪聲.但是,適用于晶體的激發(fā)的上限受到限制.過高的激勵水平可能會導(dǎo)致出現(xiàn)不必要的振蕩模式,并使振蕩變得異常.
泛音有助于確保高Q值,因此在偏移值附近有效.但是,您應(yīng)注意泛音,因為它們會導(dǎo)致晶體和振蕩電路中的電阻損耗增加,并且因為在高激勵電平下運行會導(dǎo)致頻率大幅波動,從而降低頻率純度.
另外,由于晶體的非線性,較大的電功率導(dǎo)致頻率波動增加,并且在過度激勵水平下的操作可能導(dǎo)致相位噪聲的惡化.選擇具有優(yōu)異噪聲性能的石英晶振非常重要.閃爍噪聲的偏移頻率會影響從載波頻率變化到大約10kHz中頻附近的頻率區(qū)域,而熱噪聲會以與信號電平相同的方式影響整個偏移區(qū)域.
-獲得有利的相位噪聲-
1.確保振蕩電路的Q值合適.
使用具有高Q值的石英晶振,并降低振蕩電路的電阻損耗,以使振蕩環(huán)路中的Q更高.
2.最小化設(shè)備噪聲.
選擇一個具有最小噪聲系數(shù)(NF)和閃爍轉(zhuǎn)角頻率(Fc)的器件,以最小化半導(dǎo)體器件的熱噪聲,散粒噪聲和閃爍噪聲.
3.不要使用使用PLL電路的倍頻方案,因為它會引起相位噪聲的降低.
4.盡可能提高振蕩器電路的驅(qū)動電平.
5.由于噪聲特性是信號電平與噪聲功率的相對值,因此信號電平越高,噪聲特性越好.然而,這是在將晶體用于驅(qū)動電平特性平坦的區(qū)域中的條件下.
6.泛音提供高Q值,在偏移附近有用.但是請注意,由于頻率波動會引起相位噪聲的降低,因為泛音會使石英晶振和振蕩電路中的電阻損耗增大,并且在較高驅(qū)動電平下的操作會增加導(dǎo)致頻率波動的頻率波動.信號純度下降.
7.通過在距電源和接地端子的最短距離內(nèi)放置旁路電容器,以限制電源噪聲.
[推出新產(chǎn)品DSO531SHH]
在數(shù)字音頻系統(tǒng)領(lǐng)域,眾所周知,DAC中使用的參考時鐘信號中的相位噪聲會降低聲音質(zhì)量.為解決此問題,我們的新產(chǎn)品DSO531SHH是一款專門用于音頻應(yīng)用的晶體振蕩器,在噪音表現(xiàn).新產(chǎn)品不僅在振蕩電路中采用了低噪聲工藝,而且還采用了一種IC振蕩電路,該IC振蕩電路通過根據(jù)晶體的參數(shù)優(yōu)化振動水平和負(fù)電阻來將相位噪聲降至最低.與現(xiàn)有模型相比,這些創(chuàng)新的努力使我們能夠?qū)⑾辔辉肼暯档?0至20dB.還審查了有關(guān)RMS抖動的電路設(shè)計,該抖動已減小到現(xiàn)有模型的1/3左右.
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