遙遙領(lǐng)先MtronPTI振蕩器抖動基礎(chǔ)

什么是抖動？

抖動是如何測量的？

1，抖動定義
155.52MHz的理想時鐘信號在一個完整周期內(nèi)具有6430皮秒的周期。“無噪聲”波形的連續(xù)周期將精確測量6430皮秒。將導(dǎo)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，僅包含隨機抖動元件的石英晶振155.52MHz時鐘振蕩器的周期的三百次連續(xù)測量將呈現(xiàn)為高斯分布（具有一個峰值）。加上或減去一個標(biāo)準(zhǔn)偏差將包含68.26%的所有周期測量數(shù)據(jù)點：
+/- 2 sigma would contain 95.4 % of all measurements taken.

+/- 3 sigma would contain 99.73%. 

+/- 4 sigma would contain 99.99366% 

+/- 7 sigma would contain (100- 1exp-12)% of all measurements taken

具有較大標(biāo)準(zhǔn)偏差的高斯分布將具有更寬的尾部，距離平均值更遠的周期測量值更多（更小和更大）。從最小周期測量到最大周期測量的距離稱為峰間抖動水平，單位為皮秒。峰值峰值取決于樣本大小。同一測試單元的較大樣本測量值將產(chǎn)生較大的峰值。標(biāo)準(zhǔn)偏差（1-西格瑪）的使用僅在純高斯分布中有效。如果分布中存在任何確定性抖動（具有如下所述的特定原因），則使用基于整個抖動直方圖的1-西格瑪來估計發(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括多個峰值。抖動（如電源紋波）的主要原因可能是調(diào)制時鐘以產(chǎn)生多個峰值?；蛘?，石英晶體振蕩器信號可能包含許多次諧波功率。總抖動是隨機抖動與確定性抖動相互作用的組合。

2，抖動的來源

隨機抖動來自許多來源。半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)的熱振動導(dǎo)致遷移率根據(jù)取決于材料的瞬時溫度。隨機抖動的另一個來源是由于半導(dǎo)體工藝變化（如摻雜密度不均勻）引起的缺陷。多個隨機抖動源以RMS方式添加，但當(dāng)將隨機抖動添加到確定性抖動以獲得總抖動、峰間抖動時，需要峰間值。

確定性抖動是由可識別的干擾信號產(chǎn)生的。它的振幅總是有界的，并且有特定的原因（不是隨機的）。確定性抖動可以通過相鄰信號跡線之間的串?dāng)_來生成。當(dāng)來自一個導(dǎo)體的增量電感將來自相鄰信號線的感應(yīng)磁場轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電流時，就會發(fā)生這種情況。這種感應(yīng)電流會增加或降低電壓，從而導(dǎo)致抖動。

EMI輻射會導(dǎo)致確定性抖動。敏感信號路徑可能受到來自EMI源的磁場的影響。EMI源包括電源、AC電源線和RF信號源。像串?dāng)_一樣，在定時信號路徑上感應(yīng)噪聲電流，從而調(diào)制定時信號電壓電平。

確定性抖動可以由多層襯底的功率層中的噪聲產(chǎn)生。這種噪聲可以改變邏輯門中的閾值電壓?；蛘?，閾值電壓下接地參考的變化將導(dǎo)致切換柵極所需的電壓的變化。

當(dāng)多個門同時切換到同一邏輯狀態(tài)時，可能會出現(xiàn)確定性抖動。電流尖峰可以在電源和接地平面上感應(yīng)，從而為閾值電壓電平偏移創(chuàng)造另一個機會。

3，MTRONPTI如何測量抖動

MtronPTI石英晶振廠家使用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(shù)，但Wavecrest已經(jīng)編寫了許多關(guān)于使用其設(shè)備進行抖動測量的基本原理的應(yīng)用說明。他們的網(wǎng)站位于www.wavecrest.com。首先有兩個特別的應(yīng)用說明：

DTS測量技術(shù)（入門）
抖動分析（入門）

DTS測量兩個事件之間的時間。在內(nèi)部，許多時間測量值（樣本）被編譯成一個直方圖（下面的圖1）。可以在前面板上查看基本統(tǒng)計數(shù)據(jù)，如樣本量、平均值、峰對峰和1西格瑪。貼片晶振振蕩器輸出信號上的這些數(shù)據(jù)可以通過GPIB傳遞到Wavecrest虛擬儀器軟件、API軟件或用戶的定制軟件。來自數(shù)百或數(shù)千個直方圖的數(shù)據(jù)可以被編譯成圖，這些圖突出顯示了有關(guān)輸出信號質(zhì)量的更多信息。抖動累積的特定值，如抖動頻率和功率，以及確定性抖動和隨機抖動的幅度可以顯示在這些圖中。

DTS測量兩個事件之間的時間，這兩個事件是閾值交叉。數(shù)字采樣示波器測量相對于觸發(fā)器的相對于時間的電壓。基于事件的測量允許DTS在800毫微微秒（DTS的硬件分辨率）內(nèi)確定實際邊緣位置。采樣范圍在采樣點之間對數(shù)據(jù)進行插值，以確定閾值跨越的時間。由于范圍取決于觸發(fā)信號的使用，因此該波形上的任何抖動都可能掩蓋抖動因素。一個來自行業(yè)領(lǐng)先供應(yīng)商的特殊數(shù)字示波器將1.5 pS列為其測量設(shè)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到25uS采集一次樣本，與DUT的工作頻率無關(guān)。通過隨機化采集時間，不可能屏蔽出可能與采樣率匹配的抖動信號。

DTS測量系統(tǒng)包括許多軟件工具，以增強對波形特性的理解。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?？梢岳L制所有這些樣本組的標(biāo)準(zhǔn)偏差，以顯示指定時間段內(nèi)的累積抖動（上圖2）。其他關(guān)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FFT連接到頻域，以確定抖動分量的頻率和幅度。Wavecrest還提供了超出本討論范圍的高級軟件工具。Tail fit TM算法使用戶能夠分析多模式分布（多個峰值）。在非高斯分布中，當(dāng)可以計算這些尾部區(qū)域的等效1-西格瑪時，高斯假設(shè)適用于尾部（最左邊和最右邊的區(qū)域）。通過這種方式，Tail fit TM允許計算非高斯分布的外圍測量的概率發(fā)生

因此，對于給定波形的峰間抖動的預(yù)測可以在上電后十億個周期近似（具有非常高的置信度），而無需等待十億個信號周期完成。

另一個高級軟件功能涉及當(dāng)用戶指定諸如12KHz到20MHz的SONET范圍之類的頻率帶寬時計算積分抖動。根據(jù)設(shè)置中指定的樣本測量數(shù)量，集成抖動測試每單位需要0.5到1.5分鐘。

4，為振蕩器指定的抖動類型：
時域中的測量

周期間抖動測量相鄰周期之間的周期差異。峰間周期抖動是周期測量值從最小值到最大值的分布寬度。峰對峰是從連續(xù)邊緣測量的直方圖中獲得的。進行的樣本測量越多，最小周期數(shù)據(jù)點和最大周期數(shù)據(jù)點之間的差異就越大。樣本周期測量值的分布具有與其相關(guān)聯(lián)的RMS或標(biāo)準(zhǔn)偏差（1-西格瑪）。

周期測量的分布的1西格瑪水平可以用于計算誤比特率。預(yù)期BER被定義為當(dāng)峰值到峰值的總抖動（隨機加確定性）超過抖動預(yù)算時導(dǎo)致比特錯誤的概率。

下面列出了隨機抖動（pk到pk）與BER的關(guān)系表：

頻域中的測量

特定帶寬上的集成抖動可以從MtronPTI麥特倫皮晶振的DTS時間測量系統(tǒng)中獲得。例如，SONET標(biāo)準(zhǔn)要求在偏離載波頻率12KHz到20MHz的頻帶內(nèi)具有抖動性能。根據(jù)測量的樣本數(shù)量，Wavecrest系統(tǒng)將在每單位30至90秒內(nèi)計算出該值。

積分抖動也可以在給定帶寬上從相位噪聲測量系統(tǒng)獲得。根據(jù)每個頻率偏移帶內(nèi)的平均數(shù)，每個單位的測量可能需要長達四分鐘的時間。每種測量技術(shù)都有其優(yōu)點和缺點。與MtronPTI技術(shù)支持的補充討論可以更詳細地審查這些測量技術(shù)差異。

進口晶振在特定的155.52MHz PECL振蕩器產(chǎn)品上，在12KHz到20MHz的頻帶中，集成抖動為1.08pS。該相同的DUT具有在時域中測量的5.99pS的周期間1西格瑪水平。在時域中的峰對峰是45.8pS。

盡管積分相位抖動看起來更好，因為它是一個較小的數(shù)字，但時域測量傳達了關(guān)于振蕩器波形噪聲特征的相同信息。

5，將相位噪聲數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為積分相位抖動：

有許多論文描述了如何推導(dǎo)出用相位噪聲表示RMS抖動的方程。我們將向您展示的是一個為Microsoft Excel電子表格開發(fā)的實用應(yīng)用程序。任何有興趣分析相位噪聲數(shù)據(jù)的工程師都可以使用此工具。我們從一個公認的方程開始，根據(jù)相位噪聲計算RMS抖動（秒）。

fo=載波頻率（Hz）

f1，f2=感興趣的偏移頻率范圍（Hz）
Φ=相位噪聲，單位為弧度2/Hz
dBc=相對于載波的相位噪聲功率
SΦ（f）=特定偏移頻率f下的頻譜密度，單位為Hz（見等式2）

Φ通過等式3與相位噪聲功率相關(guān)。代入等式2中的Φ，我們得出了等式4中SΦ（f）的最終定義

為了近似積分，我們使用梯形方程5的總和。

相位噪聲測試系統(tǒng)沿著對數(shù)標(biāo)度繪制頻率，每十年至少應(yīng)選取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。更多的點意味著更好的相關(guān)性。

剩下的就是取和的平方根，然后除以（2*PI*Fo）。我們已經(jīng)描述了將其作為一項簡單任務(wù)實現(xiàn)到電子表格中或?qū)⑵渚幋a到BASIC或C程序中所需的所有部分。
下面列出了將該方法與Aeroflex PN9000相位噪聲測試裝置進行比較的結(jié)果，該測試裝置使用了從10 Hz到1 MHz的n=16個點。

6，振蕩器抖動從供應(yīng)商到客戶的相關(guān)性

無論指定了哪種類型的抖動，都應(yīng)確定會導(dǎo)致最終產(chǎn)品無法滿足其系統(tǒng)要求的最大振蕩器抖動電平。在大多數(shù)情況下，振蕩器抖動對整個系統(tǒng)抖動的貢獻是25%或更小。為了幫助石英晶體振蕩器公司在客戶板上模擬操作，應(yīng)向供應(yīng)商提供有關(guān)振蕩器電源中噪聲紋波的信息。然后，可以在有或沒有電源線噪聲注入的情況下進行抖動測量，以便客戶更好地了解設(shè)備在一些“板載”信號干擾下的表現(xiàn)。

MtronPTI向其客戶群建議：
1） 時域1-西格瑪抖動和峰間電平使用50000個周期周期來指定。
2） 還應(yīng)指定SONET帶寬（12 KHz至20 MHz）上的集成相位抖動。
3） 應(yīng)規(guī)定不同頻率偏移下的相位噪聲性能，以向振蕩器供應(yīng)商提供振蕩器信號噪聲輪廓的完整圖像。