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您当前所在位置:元器猫> 晶振百科> 什么是晶振的相位噪声和抖动
  • 什么是晶振的相位噪声和抖动
  • 阅读量:289

概述:相位噪声(Phase noise)和抖动是对同一种现象的两种不同的定量方式。在理想情况下,一个频率固定的完美的脉冲信号(以1 MHz为例)的持续时间应该恰好是1微秒,每500ns有一个跳变沿。

IEC标准定义:振荡器短期频率稳定度的频域量度,通常用相应起伏功率谱密度SΨ(f) 表示,其中相位起伏函数为Ψ(f)=2πFt-2πF0t

注:抖动是振荡器短期频率稳定度的时域量度,实际上和相位噪声都是频率短期稳定度的一种度量方式。

一、抖动是一个时域概念

抖动是对信号时域变化的测量结果,它从本质上描述了信号周期距离其理想值偏离了多少。通常,10MHz以下信号的周期变动并不归入抖动一类,而是归入偏移或者漂移。抖动有两种主要类型:确定性抖动和随机性抖动。

确定性抖动是由可识别的干扰信号造成的,这种抖动通常幅度有限,具备特定的(而非随机的)产生原因,而且不能进行统计分析。造成确定性抖动的来源主要有4种:

1. 相邻信号走线之间的串扰:当一根导线的自感增大后,会将其相邻信号线周围的感应磁场转化为感应电流,而感应电流会使电压增大或减小,从而造成抖动。

2. 敏感信号通路上的EMI辐射:电源、AC电源线和RF信号源都属于EMI源。与串扰类似,当附近存在EMI辐射时,时序信号通路上感应到的噪声电流会调制时序信号的电压值。

3. 多层基底中电源层的噪声:这种噪声可能改变逻辑门的阈值电压,或者改变阈值电压的参考地电平,从而改变开关门电路所需的电压值。

4. 多个门电路同时转换为同一种逻辑状态:这种情况可能导致电源层和地层上感应到尖峰电流,从而可能使阈值电压发生变化。

随机抖动是指由较难预测的因素导致的时序变化。例如,能够影响半导体晶体材料迁移率的温度因素,就可能造成载子流的随机变化。另外,半导体加工工艺的变化,例如掺杂密度不均,也可能造成抖动。

随机抖动最基本的一个特性就是随机性,因此我们可以用高斯统计分布来描述其特性。例如,对一个只包含随机抖动因素的时钟振荡器的振荡周期进行100次连续测量,测量结果会呈高斯分布(或称正态分布)。在其均值加减1个标准差的范围内包含了所有周期测量数据的68.26%,在其均值+/- 2倍标准差的范围内包含所有测量数据的95.4 %,+/- 3倍标准差范围内包含99.73%的测量数据,+/- 4倍标准差范围内包含99.99366%的测量数据。

从这种正态分布中,我们可以得到两种常见的抖动定义:

1. 峰峰值抖动,即正态曲线上最小测量值到最大测量值之间的差距。在大多数电路中,该值会随测量样本数的增多而变大,理论上可达无穷大。因此,这种测量意义不大。

2. RMS(均方根)抖动,即正态分布一阶标准偏差的值。该值随样本数的增加变化不大,因而这种测量较有意义。但这种测量只在纯高斯分布中才有效,如果分布中存在任何确定性抖动,那么利用整个抖动直方图上的一阶方差来估计抖动出现的可能性就是错误的。

注意:多个随机抖动源可以用RMS方式相加,但要得到总的抖动,需要利用峰峰值,以便将随机抖动与确定性抖动相加。

二、相位噪声是频率域的概念

相位噪声是对信号时序变化的另一种测量方式,其结果在频率域内显示。

如果没有相位噪声,那么振荡器的整个功率都应集中在频率f=fo处。但相位噪声的出现将振荡器的一部分功率扩展到相邻的频率中去,产生了边带 (sideband)。

相位噪声通常定义为在某一给定偏移频率处的dBc/Hz值,其中,dBc是以dB为单位的该频率处功率与总功率的比值。一个振荡器在某一偏移频率处的相位噪声定义为在该频率处1Hz带宽内的信号功率与信号的总功率比值。

怎样将电路板上的相位噪声和抖动降至最低

电路板设计师可以通过两种关键技术降低板上的确定性信号抖动:

1.完全以差分形式收发信号:诸如LVDS或LVPECL等一些以差分方式收发信号,都能极大降低确定性抖动的影响,而且这种差分通路还能消减信号通路上的所有干扰和串扰。由于这种信号收发系统对共模噪声本来就有高度抑制能力,因此差分形式本来就有消除抖动的趋向。

2.仔细布线:只要可能,就要避免出现寄生信号,因为这种信号可能会通过串扰或干扰对信号通路产生影响。走线应该越短越好,而且不应与承载高速开关数字信号的走线交叉。如果采用了差分信号收发系统,那么两条差分信号线就应尽可能靠近,这样才能更好地利用其固有的共模噪声抑制特性。