遥遥领先MtronPTI振荡器抖动基础

什么是抖动？

抖动是如何测量的？

1，抖动定义
155.52MHz的理想时钟信号在一个完整周期内具有6430皮秒的周期。“无噪声”波形的连续周期将精确测量6430皮秒。将导致时钟周期从6430ps变化的噪声元素被称为抖动。抖动由确定性（来自电源噪声等特定原因）和随机内容组成。抖动的随机部分可以使用高斯分布统计来表征。例如，仅包含随机抖动元件的石英晶振155.52MHz时钟振荡器的周期的三百次连续测量将呈现为高斯分布（具有一个峰值）。加上或减去一个标准偏差将包含68.26%的所有周期测量数据点：
+/- 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

具有较大标准偏差的高斯分布将具有更宽的尾部，距离平均值更远的周期测量值更多（更小和更大）。从最小周期测量到最大周期测量的距离称为峰间抖动水平，单位为皮秒。峰值峰值取决于样本大小。同一测试单元的较大样本测量值将产生较大的峰值。标准偏差（1-西格玛）的使用仅在纯高斯分布中有效。如果分布中存在任何确定性抖动（具有如下所述的特定原因），则使用基于整个抖动直方图的1-西格玛来估计发生概率是无效的。如果信号中存在确定性抖动，则周期测量的直方图将包括多个峰值。抖动（如电源纹波）的主要原因可能是调制时钟以产生多个峰值。或者，石英晶体振荡器信号可能包含许多次谐波功率。总抖动是随机抖动与确定性抖动相互作用的组合。

2，抖动的来源

随机抖动来自许多来源。半导体晶体结构的热振动导致迁移率根据取决于材料的瞬时温度。随机抖动的另一个来源是由于半导体工艺变化（如掺杂密度不均匀）引起的缺陷。多个随机抖动源以RMS方式添加，但当将随机抖动添加到确定性抖动以获得总抖动、峰间抖动时，需要峰间值。

确定性抖动是由可识别的干扰信号产生的。它的振幅总是有界的，并且有特定的原因（不是随机的）。确定性抖动可以通过相邻信号迹线之间的串扰来生成。当来自一个导体的增量电感将来自相邻信号线的感应磁场转换为感应电流时，就会发生这种情况。这种感应电流会增加或降低电压，从而导致抖动。

EMI辐射会导致确定性抖动。敏感信号路径可能受到来自EMI源的磁场的影响。EMI源包括电源、AC电源线和RF信号源。像串扰一样，在定时信号路径上感应噪声电流，从而调制定时信号电压电平。

确定性抖动可以由多层衬底的功率层中的噪声产生。这种噪声可以改变逻辑门中的阈值电压。或者，阈值电压下接地参考的变化将导致切换栅极所需的电压的变化。

当多个门同时切换到同一逻辑状态时，可能会出现确定性抖动。电流尖峰可以在电源和接地平面上感应，从而为阈值电压电平偏移创造另一个机会。

3，MTRONPTI如何测量抖动

MtronPTI石英晶振厂家使用Wavecrest的时间测量系统、相位噪声系统和数字示波器来测量时域和频域抖动。虽然本教程将简要讨论测量技术，但Wavecrest已经编写了许多关于使用其设备进行抖动测量的基本原理的应用说明。他们的网站位于www.wavecrest.com。首先有两个特别的应用说明：

DTS测量技术（入门）
抖动分析（入门）

DTS测量两个事件之间的时间。在内部，许多时间测量值（样本）被编译成一个直方图（下面的图1）。可以在前面板上查看基本统计数据，如样本量、平均值、峰对峰和1西格玛。贴片晶振振荡器输出信号上的这些数据可以通过GPIB传递到Wavecrest虚拟仪器软件、API软件或用户的定制软件。来自数百或数千个直方图的数据可以被编译成图，这些图突出显示了有关输出信号质量的更多信息。抖动累积的特定值，如抖动频率和功率，以及确定性抖动和随机抖动的幅度可以显示在这些图中。

DTS测量两个事件之间的时间，这两个事件是阈值交叉。数字采样示波器测量相对于触发器的相对于时间的电压。基于事件的测量允许DTS在800毫微微秒（DTS的硬件分辨率）内确定实际边缘位置。采样范围在采样点之间对数据进行插值，以确定阈值跨越的时间。由于范围取决于触发信号的使用，因此该波形上的任何抖动都可能掩盖抖动因素。一个来自行业领先供应商的特殊数字示波器将1.5 pS列为其测量设置的均方根抖动误差。DTS使用事件的异步随机采样来建立事件时间的有效统计分布。它每21uS到25uS采集一次样本，与DUT的工作频率无关。通过随机化采集时间，不可能屏蔽出可能与采样率匹配的抖动信号。

DTS测量系统包括许多软件工具，以增强对波形特性的理解。抖动分析工具允许用户查看抖动调制。例如，用户可以测量数百或数千个直方图，每个直方图由波形周期的300个样本测量组成。可以绘制所有这些样本组的标准偏差，以显示指定时间段内的累积抖动（上图2）。其他关键波形参数，如上升时间、下降时间、传播延迟和频率，可以用这种方式进行检查

时域数据可以通过使用FFT连接到频域，以确定抖动分量的频率和幅度。Wavecrest还提供了超出本讨论范围的高级软件工具。Tail fit TM算法使用户能够分析多模式分布（多个峰值）。在非高斯分布中，当可以计算这些尾部区域的等效1-西格玛时，高斯假设适用于尾部（最左边和最右边的区域）。通过这种方式，Tail fit TM允许计算非高斯分布的外围测量的概率发生

因此，对于给定波形的峰间抖动的预测可以在上电后十亿个周期近似（具有非常高的置信度），而无需等待十亿个信号周期完成。

另一个高级软件功能涉及当用户指定诸如12KHz到20MHz的SONET范围之类的频率带宽时计算积分抖动。根据设置中指定的样本测量数量，集成抖动测试每单位需要0.5到1.5分钟。

4，为振荡器指定的抖动类型：
时域中的测量

周期间抖动测量相邻周期之间的周期差异。峰间周期抖动是周期测量值从最小值到最大值的分布宽度。峰对峰是从连续边缘测量的直方图中获得的。进行的样本测量越多，最小周期数据点和最大周期数据点之间的差异就越大。样本周期测量值的分布具有与其相关联的RMS或标准偏差（1-西格玛）。

周期测量的分布的1西格玛水平可以用于计算误比特率。预期BER被定义为当峰值到峰值的总抖动（随机加确定性）超过抖动预算时导致比特错误的概率。

下面列出了随机抖动（pk到pk）与BER的关系表：

频域中的测量

特定带宽上的集成抖动可以从MtronPTI麦特伦皮晶振的DTS时间测量系统中获得。例如，SONET标准要求在偏离载波频率12KHz到20MHz的频带内具有抖动性能。根据测量的样本数量，Wavecrest系统将在每单位30至90秒内计算出该值。

积分抖动也可以在给定带宽上从相位噪声测量系统获得。根据每个频率偏移带内的平均数，每个单位的测量可能需要长达四分钟的时间。每种测量技术都有其优点和缺点。与MtronPTI技术支持的补充讨论可以更详细地审查这些测量技术差异。

进口晶振在特定的155.52MHz PECL振荡器产品上，在12KHz到20MHz的频带中，集成抖动为1.08pS。该相同的DUT具有在时域中测量的5.99pS的周期间1西格玛水平。在时域中的峰对峰是45.8pS。

尽管积分相位抖动看起来更好，因为它是一个较小的数字，但时域测量传达了关于振荡器波形噪声特征的相同信息。

5，将相位噪声数据转换为积分相位抖动：

有许多论文描述了如何推导出用相位噪声表示RMS抖动的方程。我们将向您展示的是一个为Microsoft Excel电子表格开发的实用应用程序。任何有兴趣分析相位噪声数据的工程师都可以使用此工具。我们从一个公认的方程开始，根据相位噪声计算RMS抖动（秒）。

fo=载波频率（Hz）

f1，f2=感兴趣的偏移频率范围（Hz）
Φ=相位噪声，单位为弧度2/Hz
dBc=相对于载波的相位噪声功率
SΦ（f）=特定偏移频率f下的频谱密度，单位为Hz（见等式2）

Φ通过等式3与相位噪声功率相关。代入等式2中的Φ，我们得出了等式4中SΦ（f）的最终定义

为了近似积分，我们使用梯形方程5的总和。

相位噪声测试系统沿着对数标度绘制频率，每十年至少应选取3个点。例如，为了获得均匀分布的点，我们选择使用10、20、50、100、200…等方法。更多的点意味着更好的相关性。

剩下的就是取和的平方根，然后除以（2*PI*Fo）。我们已经描述了将其作为一项简单任务实现到电子表格中或将其编码到BASIC或C程序中所需的所有部分。
下面列出了将该方法与Aeroflex PN9000相位噪声测试装置进行比较的结果，该测试装置使用了从10 Hz到1 MHz的n=16个点。

6，振荡器抖动从供应商到客户的相关性

无论指定了哪种类型的抖动，都应确定会导致最终产品无法满足其系统要求的最大振荡器抖动电平。在大多数情况下，振荡器抖动对整个系统抖动的贡献是25%或更小。为了帮助石英晶体振荡器公司在客户板上模拟操作，应向供应商提供有关振荡器电源中噪声纹波的信息。然后，可以在有或没有电源线噪声注入的情况下进行抖动测量，以便客户更好地了解设备在一些“板载”信号干扰下的表现。

MtronPTI向其客户群建议：
1） 时域1-西格玛抖动和峰间电平使用50000个周期周期来指定。
2） 还应指定SONET带宽（12 KHz至20 MHz）上的集成相位抖动。
3） 应规定不同频率偏移下的相位噪声性能，以向振荡器供应商提供振荡器信号噪声轮廓的完整图像。