MtronPTI晶體振蕩器抖動基礎知識全面講解
來源：http://www.djbyg.com 作者：金洛鑫電子 2019年11月30
MtronPTI晶體振蕩器抖動基礎知識全面講解
MtronPTI Company是位于美國的頻率控制元器件方案商,和石英晶體振蕩器,TCXO溫補晶振,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,低時鐘抖動的晶 體振蕩器設計與開發(fā),關于如何研發(fā)低抖動振蕩器,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振蕩器抖動基礎的知識,和方案流程.
[抖動定義]
理想的時鐘信號為155.52MHz,對于一個完整的周期,其周期為6430皮秒.“無噪聲”波形的連續(xù)周期將精確測量為6430皮秒.會導致時鐘周期從6430pS變化的噪聲元素被稱為抖動.抖動由確定性(來自電源噪聲等特定原因)和隨機內(nèi)容組成.抖動的隨機部分可以使用高斯分布統(tǒng)計來表征.例如,僅包含隨機抖動元素的155.52MHz石英振蕩器的周期的三百次連續(xù)測量將顯示為高斯分布(具有一個峰值).正負一個標準偏差將包含所有周期測量數(shù)據(jù)點的68.26％:
+/-2sigma占所有測量值的95.4％.
+/-3sigma將包含99.73％.
+/-4sigma將包含99.99366％
+/-7sigma占所有已測量值的(100-1exp-12)％.
標準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)的周期測量越多.從最小周期測量值到最大周期測量值的距離稱為皮秒級峰峰值抖動水平.峰值取決于樣本量.同一被測石英晶振單元的較大樣品測量值將產(chǎn)生較大的峰峰值.標準偏差(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(具有以下概述的特定原因),則基于整個抖動直方圖的1-sigma估計發(fā)生概率是無效的.如果信號中存在確定性抖動,則周期測量的直方圖將包含多個峰值.諸如電源紋波之類的抖動的主要成因可能是調(diào)制時鐘以產(chǎn)生多個峰值.或者,振蕩器信號可能包含很多次諧波功率.總抖動是隨機抖動與確定性抖動相互作用的組合.
[抖動來源]
隨機抖動有很多來源.半導體晶體結(jié)構的熱振動導致遷移率根據(jù)材料的瞬時溫度而變化.隨機抖動的另一個來源來自半導體工藝變化(例如不均勻的摻雜密度)帶來的缺陷.多個隨機抖動源以RMS方式相加,但是將隨機抖動添加到確定性抖動以獲得峰到峰的總抖動時,需要一個峰峰值.
確定性抖動是由可識別的干擾信號產(chǎn)生的.它總是在振幅范圍內(nèi),并且有特定的原因(不是隨機的).確定性抖動可通過相鄰信號走線之間的串擾產(chǎn)生.當來自一個導體的增量電感將來自相鄰信號線的感應磁場轉(zhuǎn)換為感應電流時,就會發(fā)生這種情況.該感應電流會增大或減小電壓,從而引起抖動.
EMI輻射會導致確定性抖動.敏感信號路徑可能會受到來自EMI源的磁場的影響.EMI源包括電源,交流電源線和RF信號源.像串擾一樣,在定時信號路徑上會感應出噪聲電流,從而調(diào)制定時信號電壓電平.
確定性抖動可能是由多層基板電源層中的噪聲產(chǎn)生的.這種噪聲會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致改變所需的電壓以切換柵極.當多個門同時切換到相同的邏輯狀態(tài)時,可能會出現(xiàn)確定性抖動.在電源和接地層上可能會感應出電流尖峰,從而為閾值電壓電平移動創(chuàng)造了另一個機會.
[MTRONPTI如何測量抖動]
MtronPTI晶振使用Wavecrest的時間測量系統(tǒng),相位噪聲系統(tǒng)和數(shù)字示波器來測量時域和頻域抖動.雖然本教程將簡要討論測量技術,但Wavecrest已使用其設備針對抖動測量的基礎編寫了許多應用筆記.
DTS測量技術(入門)
抖動分析(入門).
DTS測量兩次事件之間的時間.內(nèi)部許多時間測量值(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)計信息,例如樣本大小,平均值,峰峰值和1-sigma.振蕩器輸出信號上的這些數(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.可以將成百上千個直方圖的數(shù)據(jù)編譯成圖,突出顯示有關輸出信號質(zhì)量的更多信息.這些圖中可以顯示抖動累積的特定值,例如抖動頻率和功率,以及確定性抖動和隨機抖動的大小.
圖1
DTS測量兩個事件之間的時間,這兩個事件是閾值交叉.數(shù)字采樣示波器相對于觸發(fā)器測量相對于時間的電壓.基于事件的測量允許DTS在800飛秒(DTS的硬件分辨率)之內(nèi)確定實際邊緣位置.采樣示波器在采樣點之間插值數(shù)據(jù)以確定閾值穿越的時間.由于示波器取決于觸發(fā)信號的使用,因此該波形上的任何抖動都可能會掩蓋抖動因素.一家行業(yè)領先的石英晶振供應商提供的特定數(shù)字示波器列出了1.5pS作為測量設置的均方根抖動誤差.DTS使用事件的異步隨機采樣來建立事件時間的有效統(tǒng)計分布.它每21uS至25uS收集一次采樣,而與DUT工作頻率無關.通過隨機化采集時間,就不可能掩蓋可能與采樣率匹配的抖動信號.
使用WavecrestDTS-2075測量來自4個振蕩器IC的1Sigma周期至周期抖動數(shù)據(jù)
圖2
數(shù)字地面系統(tǒng)測量系統(tǒng)包括許多軟件工具來增強人們對波形特征的理解.抖動分析工具允許用戶查看抖動調(diào)制.例如,用戶可以測量數(shù)百或數(shù)千個直方圖,每個直方圖由波形周期的300個樣本測量組成.可以繪制所有這些樣本組的標準偏差,以顯示指定時間段內(nèi)累積的抖動(如上圖2所示).其他有源晶振關鍵波形參數(shù),如上升時間、下降時間、傳播延遲和頻率,可以用這種方式進行檢查.
時域數(shù)據(jù)可以通過使用快速傅立葉變換來確定抖動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(不止一個峰值).在非高斯分布中,當可以計算這些尾部區(qū)域的等效1σ時,高斯假設適用于尾部(最左邊和右邊的區(qū)域).通過這種方式,尾部擬合允許計算非高斯分布的外圍測量的概率發(fā)生.
因此,給定波形的峰峰值抖動預測可以在上電后的十億個周期內(nèi)近似(具有非常高的置信度),而無需等待十億個信號周期完成.另一個高級軟件特性包括當用戶指定頻率帶寬(如12千赫至20兆赫的SONET范圍)時積分抖動的計算.根據(jù)設置中規(guī)定的石英晶振樣本測量數(shù)量,集成抖動測試將需要每單位0.5至1.5分鐘的時間.
[振蕩器規(guī)定的抖動類型]
時域測量
周期間抖動測量相鄰周期之間的周期差異.峰峰值周期抖動是周期測量值從最小值到最大值的分布寬度.峰峰值是從連續(xù)邊緣測量的直方圖中獲得的.采樣測量越多,最小和最大周期數(shù)據(jù)點之間的差異就越大.樣本周期測量值的分布具有相關的均方根或標準偏差(1σ).
周期測量分布的1σ水平可用于計算誤碼率.預期誤碼率定義為當峰峰值總抖動(隨機加確定性)超過抖動預算時導致比特錯誤的概率.
下表列出了隨機抖動(峰峰值)與誤碼率的關系:
頻域測量
可以從MtronPTI的DTS時間測量系統(tǒng)獲得指定帶寬上的集成抖動.例如,SONET標準要求在偏離載波頻率12KHz至20MHz的頻帶內(nèi)具有抖動性能.根據(jù)所測樣品的數(shù)量,Wavecrest系統(tǒng)將在每單位30至90秒內(nèi)計算該值.
還可以從相位噪聲測量系統(tǒng)在給定的帶寬上獲得集成抖動.根據(jù)每個頻偏頻帶內(nèi)的平均值數(shù)量,測量可能需要長達每分鐘4分鐘的時間.每種測量技術都有其優(yōu)點和缺點.MtronPTI技術支持的補充討論可以更詳細地介紹這些測量技術的差異.
在特定的155.52MHz LV-PECL差分晶振產(chǎn)品上,在12KHz至20MHz的頻帶中,集成抖動為1.08pS.相同的DUT在時域中測得的逐周期1-sigma值為5.99pS.時域中的峰峰為45.8pS.
盡管由于積分相位抖動的數(shù)量較小,看起來看起來更好,但時域測量仍傳達有關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]
有很多論文描述了如何根據(jù)相位噪聲來推導表達RMS抖動的方程式.我們將向您展示的是為MicrosoftExcel電子表格開發(fā)的實用應用程序.任何對分析相位噪聲數(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,以秒為單位計算RMS抖動.
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,(請參見等式2).
Φ與等式3的相位噪聲功率有關.在等式2中代入Φ,我們在等式4中得出對SΦ(f)的最終定義.
為了近似積分,我們使用梯形等式5的總和.
相位噪聲測試系統(tǒng)沿對數(shù)標度繪制頻率,每十年至少應選擇3個點.例如,為了獲得均勻分布的點,我們選擇使用10、20、50、100、200…等方法.點越多,相關性越好.剩下的就是取求和的平方根,然后除以(2*PI*Fo).我們已經(jīng)描述了使此任務輕松實現(xiàn)以電子表格實現(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相噪測試儀進行了比較,使用n=16點10Hz至1MHz.
[供應商與客戶之間抖動抖動的相關性]
無論指定哪種類型的抖動,都應確定將導致最終產(chǎn)品無法滿足其系統(tǒng)要求的最大振蕩器抖動級別.在大多數(shù)情況下,振蕩器抖動對整個系統(tǒng)抖動的貢獻為25％或更少.為了幫助振蕩器公司在客戶板上模擬操作,應將有關噪聲波蕩到石英晶振電源中的信息提供給供應商.然后,可以在有或沒有電源線噪聲注入的情況下執(zhí)行抖動測量,以便客戶更好地了解設備在受到“板載”信號干擾的情況下的性能.
MtronPTI向其客戶群建議:
1) .使用50000個周期來指定時域1-sigma抖動和峰峰值.
2) .還應指定SONET帶寬(12KHz至20MHz)上的集成相位抖動.
3) .應指定不同頻率偏移處的相位噪聲性能,以使振蕩器供應商能夠全面了解晶體振蕩器信號噪聲曲線.
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,絕對的原廠原裝正品,部分常規(guī)料號備有現(xiàn)貨,可隨時供應,如有需求請?zhí)崆跋聠?
MtronPTI晶體振蕩器抖動基礎知識全面講解
MtronPTI Company是位于美國的頻率控制元器件方案商,和石英晶體振蕩器,TCXO溫補晶振,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,低時鐘抖動的晶 體振蕩器設計與開發(fā),關于如何研發(fā)低抖動振蕩器,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振蕩器抖動基礎的知識,和方案流程.
[抖動定義]
理想的時鐘信號為155.52MHz,對于一個完整的周期,其周期為6430皮秒.“無噪聲”波形的連續(xù)周期將精確測量為6430皮秒.會導致時鐘周期從6430pS變化的噪聲元素被稱為抖動.抖動由確定性(來自電源噪聲等特定原因)和隨機內(nèi)容組成.抖動的隨機部分可以使用高斯分布統(tǒng)計來表征.例如,僅包含隨機抖動元素的155.52MHz石英振蕩器的周期的三百次連續(xù)測量將顯示為高斯分布(具有一個峰值).正負一個標準偏差將包含所有周期測量數(shù)據(jù)點的68.26％:
+/-2sigma占所有測量值的95.4％.
+/-3sigma將包含99.73％.
+/-4sigma將包含99.99366％
+/-7sigma占所有已測量值的(100-1exp-12)％.
標準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)的周期測量越多.從最小周期測量值到最大周期測量值的距離稱為皮秒級峰峰值抖動水平.峰值取決于樣本量.同一被測石英晶振單元的較大樣品測量值將產(chǎn)生較大的峰峰值.標準偏差(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(具有以下概述的特定原因),則基于整個抖動直方圖的1-sigma估計發(fā)生概率是無效的.如果信號中存在確定性抖動,則周期測量的直方圖將包含多個峰值.諸如電源紋波之類的抖動的主要成因可能是調(diào)制時鐘以產(chǎn)生多個峰值.或者,振蕩器信號可能包含很多次諧波功率.總抖動是隨機抖動與確定性抖動相互作用的組合.
[抖動來源]
隨機抖動有很多來源.半導體晶體結(jié)構的熱振動導致遷移率根據(jù)材料的瞬時溫度而變化.隨機抖動的另一個來源來自半導體工藝變化(例如不均勻的摻雜密度)帶來的缺陷.多個隨機抖動源以RMS方式相加,但是將隨機抖動添加到確定性抖動以獲得峰到峰的總抖動時,需要一個峰峰值.
確定性抖動是由可識別的干擾信號產(chǎn)生的.它總是在振幅范圍內(nèi),并且有特定的原因(不是隨機的).確定性抖動可通過相鄰信號走線之間的串擾產(chǎn)生.當來自一個導體的增量電感將來自相鄰信號線的感應磁場轉(zhuǎn)換為感應電流時,就會發(fā)生這種情況.該感應電流會增大或減小電壓,從而引起抖動.
EMI輻射會導致確定性抖動.敏感信號路徑可能會受到來自EMI源的磁場的影響.EMI源包括電源,交流電源線和RF信號源.像串擾一樣,在定時信號路徑上會感應出噪聲電流,從而調(diào)制定時信號電壓電平.
確定性抖動可能是由多層基板電源層中的噪聲產(chǎn)生的.這種噪聲會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致改變所需的電壓以切換柵極.當多個門同時切換到相同的邏輯狀態(tài)時,可能會出現(xiàn)確定性抖動.在電源和接地層上可能會感應出電流尖峰,從而為閾值電壓電平移動創(chuàng)造了另一個機會.
[MTRONPTI如何測量抖動]
MtronPTI晶振使用Wavecrest的時間測量系統(tǒng),相位噪聲系統(tǒng)和數(shù)字示波器來測量時域和頻域抖動.雖然本教程將簡要討論測量技術,但Wavecrest已使用其設備針對抖動測量的基礎編寫了許多應用筆記.
DTS測量技術(入門)
抖動分析(入門).
DTS測量兩次事件之間的時間.內(nèi)部許多時間測量值(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)計信息,例如樣本大小,平均值,峰峰值和1-sigma.振蕩器輸出信號上的這些數(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.可以將成百上千個直方圖的數(shù)據(jù)編譯成圖,突出顯示有關輸出信號質(zhì)量的更多信息.這些圖中可以顯示抖動累積的特定值,例如抖動頻率和功率,以及確定性抖動和隨機抖動的大小.
圖1
使用WavecrestDTS-2075測量來自4個振蕩器IC的1Sigma周期至周期抖動數(shù)據(jù)
圖2
時域數(shù)據(jù)可以通過使用快速傅立葉變換來確定抖動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(不止一個峰值).在非高斯分布中,當可以計算這些尾部區(qū)域的等效1σ時,高斯假設適用于尾部(最左邊和右邊的區(qū)域).通過這種方式,尾部擬合允許計算非高斯分布的外圍測量的概率發(fā)生.
因此,給定波形的峰峰值抖動預測可以在上電后的十億個周期內(nèi)近似(具有非常高的置信度),而無需等待十億個信號周期完成.另一個高級軟件特性包括當用戶指定頻率帶寬(如12千赫至20兆赫的SONET范圍)時積分抖動的計算.根據(jù)設置中規(guī)定的石英晶振樣本測量數(shù)量,集成抖動測試將需要每單位0.5至1.5分鐘的時間.
[振蕩器規(guī)定的抖動類型]
時域測量
周期間抖動測量相鄰周期之間的周期差異.峰峰值周期抖動是周期測量值從最小值到最大值的分布寬度.峰峰值是從連續(xù)邊緣測量的直方圖中獲得的.采樣測量越多,最小和最大周期數(shù)據(jù)點之間的差異就越大.樣本周期測量值的分布具有相關的均方根或標準偏差(1σ).
周期測量分布的1σ水平可用于計算誤碼率.預期誤碼率定義為當峰峰值總抖動(隨機加確定性)超過抖動預算時導致比特錯誤的概率.
下表列出了隨機抖動(峰峰值)與誤碼率的關系:
| 數(shù)據(jù)錯誤的概率 | 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 |
可以從MtronPTI的DTS時間測量系統(tǒng)獲得指定帶寬上的集成抖動.例如,SONET標準要求在偏離載波頻率12KHz至20MHz的頻帶內(nèi)具有抖動性能.根據(jù)所測樣品的數(shù)量,Wavecrest系統(tǒng)將在每單位30至90秒內(nèi)計算該值.
還可以從相位噪聲測量系統(tǒng)在給定的帶寬上獲得集成抖動.根據(jù)每個頻偏頻帶內(nèi)的平均值數(shù)量,測量可能需要長達每分鐘4分鐘的時間.每種測量技術都有其優(yōu)點和缺點.MtronPTI技術支持的補充討論可以更詳細地介紹這些測量技術的差異.
在特定的155.52MHz LV-PECL差分晶振產(chǎn)品上,在12KHz至20MHz的頻帶中,集成抖動為1.08pS.相同的DUT在時域中測得的逐周期1-sigma值為5.99pS.時域中的峰峰為45.8pS.
盡管由于積分相位抖動的數(shù)量較小,看起來看起來更好,但時域測量仍傳達有關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]
有很多論文描述了如何根據(jù)相位噪聲來推導表達RMS抖動的方程式.我們將向您展示的是為MicrosoftExcel電子表格開發(fā)的實用應用程序.任何對分析相位噪聲數(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,以秒為單位計算RMS抖動.
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,(請參見等式2).
Φ與等式3的相位噪聲功率有關.在等式2中代入Φ,我們在等式4中得出對SΦ(f)的最終定義.
為了近似積分,我們使用梯形等式5的總和.
相位噪聲測試系統(tǒng)沿對數(shù)標度繪制頻率,每十年至少應選擇3個點.例如,為了獲得均勻分布的點,我們選擇使用10、20、50、100、200…等方法.點越多,相關性越好.剩下的就是取求和的平方根,然后除以(2*PI*Fo).我們已經(jīng)描述了使此任務輕松實現(xiàn)以電子表格實現(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相噪測試儀進行了比較,使用n=16點10Hz至1MHz.
無論指定哪種類型的抖動,都應確定將導致最終產(chǎn)品無法滿足其系統(tǒng)要求的最大振蕩器抖動級別.在大多數(shù)情況下,振蕩器抖動對整個系統(tǒng)抖動的貢獻為25％或更少.為了幫助振蕩器公司在客戶板上模擬操作,應將有關噪聲波蕩到石英晶振電源中的信息提供給供應商.然后,可以在有或沒有電源線噪聲注入的情況下執(zhí)行抖動測量,以便客戶更好地了解設備在受到“板載”信號干擾的情況下的性能.
MtronPTI向其客戶群建議:
1) .使用50000個周期來指定時域1-sigma抖動和峰峰值.
2) .還應指定SONET帶寬(12KHz至20MHz)上的集成相位抖動.
3) .應指定不同頻率偏移處的相位噪聲性能,以使振蕩器供應商能夠全面了解晶體振蕩器信號噪聲曲線.
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,絕對的原廠原裝正品,部分常規(guī)料號備有現(xiàn)貨,可隨時供應,如有需求請?zhí)崆跋聠?
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