KDS株式會社發布時鐘抖動和相位噪聲白皮書
來源：http://www.theqj.cn 作者：康華爾電子 2019年02月15
日本大真空株式會社簡稱KDS，是日本名氣比較大的一家石英水晶組件生產廠家，與海內外多家上市公司，大型企業都有合作，并且也是最早入駐亞洲和中國市場的日本晶振品牌。旗下的石英晶體，32.768K，SPXO振蕩器，TCXO晶振，VCXO晶振，VC-TCXO晶振，OCXO晶振可應用到各種低、中、高端產品身上。從普通的智能手機，手表到大型工業設備，航天航空，雷達導航等。
近年來，以信息通信設備為首的各種電子設備所使用的晶體振蕩器，隨著信息量的增大，基準時鐘信號在高速化的同時，要求低噪音化。例如數字無線通信中的調制方式的多值化、車載毫米波雷達等的高分辨率的必要性，以及數字音頻中da變換的更高的原音再現性的追求哪里，在很多應用中，相位噪聲和抖動性能等噪聲性能優異的高品質的時鐘信號源一直被追求。
石英振子和利用了它的石英晶體振蕩器，因其優良的頻率的穩定性作為高品質的時鐘信號源被很多電子設備所使用。頻率穩定度、溫度特性、老化特性等長期或靜態的穩定性，由于石英振子所具有的高q值，在以相位噪聲和抖動性能為代表的短期穩定性方面，也非常優秀。本文解說了晶體振蕩器的抖動和相位噪聲的概要。
2.抖動和相位噪聲
(1)抖動
所謂抖動是指由于時鐘信號波形在時間軸方向上的波動而產生的時鐘邊緣從理想位置的偏移，石英振蕩器的輸出電壓波形如圖所示，離開觸發點1個周期的邊緣部分本來就有與應該的位置相比，會產生一定程度的變動幅度。這個變動相當于時鐘1周期的時間變動，所以句點偏移框中，選擇“CSV文本”。一般用直方圖的rms值或peaktopeak表示。此外，單位為rad、秒、unitinterval(ui)3雖然有街道，但一般情況下使用秒。
圖1:石英振蕩器的輸出波形和句點抖動
晶振抖動根據其發生原因，可以大致分為隨機抖動(rj)和數據迷你抖動(DJ)。RJ是由于半導體器件的熱噪聲、發射噪聲等自然誘發的抖動。小噪聲產生過程由于蘇的大量累積而產生，其分布形狀可以近似正態分布。另一方面，DJ是由于各種各樣規則性的因素(電路設計、電磁引導、以及外部環境誘發)而產生的，其發生根據生成原因分為周期抖動(PJ)和數據依存抖動(DDJ)。分布的變化幅度具有有邊界的特性，可以用左右rj夾著的部分表示。有特定的非隨機發生原因，邊緣偏移為運行不是水壩的偏差，而是確定的(可預測的)抖動成分。RJ和DJ合稱為總抖動(TJ)。在不使用PLL電路而直接振蕩輸出頻率的石英振蕩器中，DJ的成分幾乎沒有，實質上僅RJ的成分。
圖2:隨機抖動和數據迷你抖動
圖3:各種抖動
根據抖動定時的定義方法，將抖動分為相位抖動、句點抖動、周期間抖動。相位二分幅器是時鐘邊緣的理想時鐘和被測定信號之差的累積，稱為長時間抖動或累積抖動也有可能累。句點抖動是時鐘周期的變動，周期間抖動是相鄰時鐘周期間的差的變動的雙曲馀弦值。
圖4:相位抖動，句點抖動，周期間抖動
注釋：●相位抖動(phasejitter)
與理想時鐘差的變動
●句點抖動(periodjitter)
被測定信號周期的變動
●周期間抖動
(cycletocyclejitter)
相鄰時鐘周期差的變動
(2)相位噪聲和相位抖動
相位噪聲意味著相位波動的功率譜密度，是表示信號純度的尺度。從中心頻率離開一定值用偏移位置(偏移頻率)的頻率成分表現，值越小，可以說是噪聲成分越少的優良信號煙。一般用載波功率對單側波段附近的噪聲進行正規化表現。圖5表示的是具有相位噪聲的信號波形v(t)，在理想的正弦波的相位項上加上相位變動φ(t)的形式。石英晶振相位噪聲和相位抖動是在頻域以及時域中求出的相位變動φ(t)。
圖5:包含相位變動的輸出電壓
相位噪聲是用相位變動φ(t)的頻域表現的，用φ(t)的功率譜密度sφ定義。在實際應用中，通常使用單側波段表示的SSB(singlesideband)相位噪聲l(f)，是載波信號的總功率與的比用DBC/Hz表示相對于載波頻率的偏移。
載波信號附近功率譜
每頻帶1Hz單側波段相位噪聲的功率譜密度
圖6：相位雜音
3)要獲得噪聲性能優異的時鐘信號，
KDS晶振的相位噪聲大部分由石英振子的q值和信號電平、振蕩電路的噪聲性能決定。為了提高相位噪聲載波頻率附近的相位噪聲，石英振子的q值特別重要。信號電平越大，與偏移頻率無關，相位噪聲電平越低。作為系統在可能范圍內信號通過設定較大的電平可以降低相位噪聲，但是對石英振子可以施加的激勵水平有上限。
如果激勵水平過大，可能會發生不必要的振動模式，導致振蕩狀態異常。諧波能夠得到高q值，在偏移附近有效，但是石英以及振蕩電路的電阻損失很大如果在高激勵水平下動作，頻率變動會變大，信號純度會惡化，需要注意。
另外，功率越大，石英晶體諧振器的非線性引起的頻率變動越大，因此激勵水平過大作品也是相位噪聲惡化的主要原因。選擇噪音性能優異的半導體器件很重要。閃爍雜聲音的偏移頻率從載波附近影響10khz左右的中間頻率附近，熱噪聲與信號電平同樣關閉在整套全頻帶均等地影響。
為了獲得良好的相位噪聲：
1.確保振蕩電路的q值
晶體振子的q值越高，振蕩電路的電阻損失越小，振蕩環路的q值越高。
2.設備的低噪聲化
為了降低貼片晶振的熱噪聲、發射噪聲、閃爍噪聲等半導體產生的噪聲，噪聲指數nf、閃爍角請選擇頻率低的元件。
3.利用PLL電路進行頻率倍頻可能導致相位噪聲劣化。
4.振蕩電路的激勵水平應在可接受的范圍內增大。
5.噪聲特性是信號電平和噪聲功率的相對值，所以信號電平越大越有利。但是，條件是在平坦的區域使用石英振子的激勵水平特性。
6.諧波可獲得高q值，在偏移附近有效。但是，水晶及振蕩電路的電阻損失較大在變大和高激勵水平下動作的話，由于頻率變動相位噪聲會惡化，需要注意。
7.請適當地在電源、gnd端子上以最短距離配置旁路電容器，以抑制電源噪音。
優良的低相位抖動和低相噪的石英晶體振蕩器，可以給產品帶來非常好的穩定性，功能發揮正常，優化系統和性能，達到預期或超過預期的結果，這也是為什么全球晶振廠家和用戶，都在追求低抖動，低相噪晶振的原因之一。
近年來，以信息通信設備為首的各種電子設備所使用的晶體振蕩器，隨著信息量的增大，基準時鐘信號在高速化的同時，要求低噪音化。例如數字無線通信中的調制方式的多值化、車載毫米波雷達等的高分辨率的必要性，以及數字音頻中da變換的更高的原音再現性的追求哪里，在很多應用中，相位噪聲和抖動性能等噪聲性能優異的高品質的時鐘信號源一直被追求。
石英振子和利用了它的石英晶體振蕩器，因其優良的頻率的穩定性作為高品質的時鐘信號源被很多電子設備所使用。頻率穩定度、溫度特性、老化特性等長期或靜態的穩定性，由于石英振子所具有的高q值，在以相位噪聲和抖動性能為代表的短期穩定性方面，也非常優秀。本文解說了晶體振蕩器的抖動和相位噪聲的概要。
2.抖動和相位噪聲
(1)抖動
所謂抖動是指由于時鐘信號波形在時間軸方向上的波動而產生的時鐘邊緣從理想位置的偏移，石英振蕩器的輸出電壓波形如圖所示，離開觸發點1個周期的邊緣部分本來就有與應該的位置相比，會產生一定程度的變動幅度。這個變動相當于時鐘1周期的時間變動，所以句點偏移框中，選擇“CSV文本”。一般用直方圖的rms值或peaktopeak表示。此外，單位為rad、秒、unitinterval(ui)3雖然有街道，但一般情況下使用秒。
圖1:石英振蕩器的輸出波形和句點抖動
晶振抖動根據其發生原因，可以大致分為隨機抖動(rj)和數據迷你抖動(DJ)。RJ是由于半導體器件的熱噪聲、發射噪聲等自然誘發的抖動。小噪聲產生過程由于蘇的大量累積而產生，其分布形狀可以近似正態分布。另一方面，DJ是由于各種各樣規則性的因素(電路設計、電磁引導、以及外部環境誘發)而產生的，其發生根據生成原因分為周期抖動(PJ)和數據依存抖動(DDJ)。分布的變化幅度具有有邊界的特性，可以用左右rj夾著的部分表示。有特定的非隨機發生原因，邊緣偏移為運行不是水壩的偏差，而是確定的(可預測的)抖動成分。RJ和DJ合稱為總抖動(TJ)。在不使用PLL電路而直接振蕩輸出頻率的石英振蕩器中，DJ的成分幾乎沒有，實質上僅RJ的成分。
圖2:隨機抖動和數據迷你抖動
圖3:各種抖動
根據抖動定時的定義方法，將抖動分為相位抖動、句點抖動、周期間抖動。相位二分幅器是時鐘邊緣的理想時鐘和被測定信號之差的累積，稱為長時間抖動或累積抖動也有可能累。句點抖動是時鐘周期的變動，周期間抖動是相鄰時鐘周期間的差的變動的雙曲馀弦值。
圖4:相位抖動，句點抖動，周期間抖動
注釋：●相位抖動(phasejitter)
與理想時鐘差的變動
●句點抖動(periodjitter)
被測定信號周期的變動
●周期間抖動
(cycletocyclejitter)
相鄰時鐘周期差的變動
(2)相位噪聲和相位抖動
相位噪聲意味著相位波動的功率譜密度，是表示信號純度的尺度。從中心頻率離開一定值用偏移位置(偏移頻率)的頻率成分表現，值越小，可以說是噪聲成分越少的優良信號煙。一般用載波功率對單側波段附近的噪聲進行正規化表現。圖5表示的是具有相位噪聲的信號波形v(t)，在理想的正弦波的相位項上加上相位變動φ(t)的形式。石英晶振相位噪聲和相位抖動是在頻域以及時域中求出的相位變動φ(t)。
圖5:包含相位變動的輸出電壓
相位噪聲是用相位變動φ(t)的頻域表現的，用φ(t)的功率譜密度sφ定義。在實際應用中，通常使用單側波段表示的SSB(singlesideband)相位噪聲l(f)，是載波信號的總功率與的比用DBC/Hz表示相對于載波頻率的偏移。
載波信號附近功率譜
每頻帶1Hz單側波段相位噪聲的功率譜密度
圖6：相位雜音
3)要獲得噪聲性能優異的時鐘信號，
KDS晶振的相位噪聲大部分由石英振子的q值和信號電平、振蕩電路的噪聲性能決定。為了提高相位噪聲載波頻率附近的相位噪聲，石英振子的q值特別重要。信號電平越大，與偏移頻率無關，相位噪聲電平越低。作為系統在可能范圍內信號通過設定較大的電平可以降低相位噪聲，但是對石英振子可以施加的激勵水平有上限。
如果激勵水平過大，可能會發生不必要的振動模式，導致振蕩狀態異常。諧波能夠得到高q值，在偏移附近有效，但是石英以及振蕩電路的電阻損失很大如果在高激勵水平下動作，頻率變動會變大，信號純度會惡化，需要注意。
另外，功率越大，石英晶體諧振器的非線性引起的頻率變動越大，因此激勵水平過大作品也是相位噪聲惡化的主要原因。選擇噪音性能優異的半導體器件很重要。閃爍雜聲音的偏移頻率從載波附近影響10khz左右的中間頻率附近，熱噪聲與信號電平同樣關閉在整套全頻帶均等地影響。
為了獲得良好的相位噪聲：
1.確保振蕩電路的q值
晶體振子的q值越高，振蕩電路的電阻損失越小，振蕩環路的q值越高。
2.設備的低噪聲化
為了降低貼片晶振的熱噪聲、發射噪聲、閃爍噪聲等半導體產生的噪聲，噪聲指數nf、閃爍角請選擇頻率低的元件。
3.利用PLL電路進行頻率倍頻可能導致相位噪聲劣化。
4.振蕩電路的激勵水平應在可接受的范圍內增大。
5.噪聲特性是信號電平和噪聲功率的相對值，所以信號電平越大越有利。但是，條件是在平坦的區域使用石英振子的激勵水平特性。
6.諧波可獲得高q值，在偏移附近有效。但是，水晶及振蕩電路的電阻損失較大在變大和高激勵水平下動作的話，由于頻率變動相位噪聲會惡化，需要注意。
7.請適當地在電源、gnd端子上以最短距離配置旁路電容器，以抑制電源噪音。
優良的低相位抖動和低相噪的石英晶體振蕩器，可以給產品帶來非常好的穩定性，功能發揮正常，優化系統和性能，達到預期或超過預期的結果，這也是為什么全球晶振廠家和用戶，都在追求低抖動，低相噪晶振的原因之一。
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