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KDS株式会社发布时钟抖动和相位噪声白皮书

来源：http://konuaer.net 作者：康华尔电子 2019年02月15

日本大真空株式会社简称KDS，是日本名气比较大的一家石英水晶组件生产厂家，与海内外多家上市公司，大型企业都有合作，并且也是最早入驻亚洲和中国市场的日本晶振品牌。旗下的石英晶体，32.768K，SPXO振荡器，TCXO晶振，VCXO晶振，VC-TCXO晶振，OCXO晶振可应用到各种低、中、高端产品身上。从普通的智能手机，手表到大型工业设备，航天航空，雷达导航等。
近年来，以信息通信设备为首的各种电子设备所使用的晶体振荡器，随着信息量的增大，基准时钟信号在高速化的同时，要求低噪音化。例如数字无线通信中的调制方式的多值化、车载毫米波雷达等的高分辨率的必要性，以及数字音频中da变换的更高的原音再现性的追求哪里，在很多应用中，相位噪声和抖动性能等噪声性能优异的高品质的时钟信号源一直被追求。
石英振子和利用了它的石英晶体振荡器，因其优良的频率的稳定性作为高品质的时钟信号源被很多电子设备所使用。频率稳定度、温度特性、老化特性等长期或静态的稳定性，由于石英振子所具有的高q值，在以相位噪声和抖动性能为代表的短期稳定性方面，也非常优秀。本文解说了晶体振荡器的抖动和相位噪声的概要。
2.抖动和相位噪声
(1)抖动
所谓抖动是指由于时钟信号波形在时间轴方向上的波动而产生的时钟边缘从理想位置的偏移，石英振荡器的输出电压波形如图所示，离开触发点1个周期的边缘部分本来就有与应该的位置相比，会产生一定程度的变动幅度。这个变动相当于时钟1周期的时间变动，所以句点偏移框中，选择“CSV文本”。一般用直方图的rms值或peaktopeak表示。此外，单位为rad、秒、unitinterval(ui)3虽然有街道，但一般情况下使用秒。

图1:石英振荡器的输出波形和句点抖动
晶振抖动根据其发生原因，可以大致分为随机抖动(rj)和数据迷你抖动(DJ)。RJ是由于半导体器件的热噪声、发射噪声等自然诱发的抖动。小噪声产生过程由于苏的大量累积而产生，其分布形状可以近似正态分布。另一方面，DJ是由于各种各样规则性的因素(电路设计、电磁引导、以及外部环境诱发)而产生的，其发生根据生成原因分为周期抖动(PJ)和数据依存抖动(DDJ)。分布的变化幅度具有有边界的特性，可以用左右rj夹着的部分表示。有特定的非随机发生原因，边缘偏移为运行不是水坝的偏差，而是确定的(可预测的)抖动成分。RJ和DJ合称为总抖动(TJ)。在不使用PLL电路而直接振荡输出频率的石英振荡器中，DJ的成分几乎没有，实质上仅RJ的成分。

图2:随机抖动和数据迷你抖动

图3:各种抖动
根据抖动定时的定义方法，将抖动分为相位抖动、句点抖动、周期间抖动。相位二分幅器是时钟边缘的理想时钟和被测定信号之差的累积，称为长时间抖动或累积抖动也有可能累。句点抖动是时钟周期的变动，周期间抖动是相邻时钟周期间的差的变动的双曲馀弦值。

图4:相位抖动，句点抖动，周期间抖动
注释：●相位抖动(phasejitter)
与理想时钟差的变动

●句点抖动(periodjitter)
被测定信号周期的变动

●周期间抖动
(cycletocyclejitter)
相邻时钟周期差的变动

(2)相位噪声和相位抖动
相位噪声意味着相位波动的功率谱密度，是表示信号纯度的尺度。从中心频率离开一定值用偏移位置(偏移频率)的频率成分表现，值越小，可以说是噪声成分越少的优良信号烟。一般用载波功率对单侧波段附近的噪声进行正规化表现。图5表示的是具有相位噪声的信号波形v(t)，在理想的正弦波的相位项上加上相位变动φ(t)的形式。石英晶振相位噪声和相位抖动是在频域以及时域中求出的相位变动φ(t)。

图5:包含相位变动的输出电压
相位噪声是用相位变动φ(t)的频域表现的，用φ(t)的功率谱密度sφ定义。在实际应用中，通常使用单侧波段表示的SSB(singlesideband)相位噪声l(f)，是载波信号的总功率与的比用DBC/Hz表示相对于载波频率的偏移。
载波信号附近功率谱

每频带1Hz单侧波段相位噪声的功率谱密度

图6：相位杂音
3)要获得噪声性能优异的时钟信号，
KDS晶振的相位噪声大部分由石英振子的q值和信号电平、振荡电路的噪声性能决定。为了提高相位噪声载波频率附近的相位噪声，石英振子的q值特别重要。信号电平越大，与偏移频率无关，相位噪声电平越低。作为系统在可能范围内信号通过设定较大的电平可以降低相位噪声，但是对石英振子可以施加的激励水平有上限。
如果激励水平过大，可能会发生不必要的振动模式，导致振荡状态异常。谐波能够得到高q值，在偏移附近有效，但是石英以及振荡电路的电阻损失很大如果在高激励水平下动作，频率变动会变大，信号纯度会恶化，需要注意。
另外，功率越大，石英晶体谐振器的非线性引起的频率变动越大，因此激励水平过大作品也是相位噪声恶化的主要原因。选择噪音性能优异的半导体器件很重要。闪烁杂声音的偏移频率从载波附近影响10khz左右的中间频率附近，热噪声与信号电平同样关闭在整套全频带均等地影响。
为了获得良好的相位噪声：
1.确保振荡电路的q值
晶体振子的q值越高，振荡电路的电阻损失越小，振荡环路的q值越高。
2.设备的低噪声化
为了降低贴片晶振的热噪声、发射噪声、闪烁噪声等半导体产生的噪声，噪声指数nf、闪烁角请选择频率低的元件。
3.利用PLL电路进行频率倍频可能导致相位噪声劣化。
4.振荡电路的激励水平应在可接受的范围内增大。
5.噪声特性是信号电平和噪声功率的相对值，所以信号电平越大越有利。但是，条件是在平坦的区域使用石英振子的激励水平特性。
6.谐波可获得高q值，在偏移附近有效。但是，水晶及振荡电路的电阻损失较大在变大和高激励水平下动作的话，由于频率变动相位噪声会恶化，需要注意。
7.请适当地在电源、gnd端子上以最短距离配置旁路电容器，以抑制电源噪音。
优良的低相位抖动和低相噪的石英晶体振荡器，可以给产品带来非常好的稳定性，功能发挥正常，优化系统和性能，达到预期或超过预期的结果，这也是为什么全球晶振厂家和用户，都在追求低抖动，低相噪晶振的原因之一。

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此文关键字： KDS低相噪晶振低时钟抖动晶振日本大真空株式会社

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