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,提高機載毫米波雷達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抖動(RJ)和確定性抖動(DJ).RJ是由半導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.存在不是隨機發(fā)生的特定原因,并且邊緣的漂移不是隨機分散,而是確定的(可預測的)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,較大的電功率導致頻率波動增加,并且在過度激勵水平下的操作可能導致相位噪聲的惡化.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.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.
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