這兩年因為科技發(fā)展速度快，晶體振蕩器漸漸開始有了用武之地，原本因為價格貴而使用次數(shù)少的差分晶振，目前銷量明顯有所增長，咨詢和訂購的客戶越來越多。許多采購和工程大致知道LVDS，LV-PECL是常用的差分輸出，這是一種比較特殊的信號輸出，但是真正讓產(chǎn)品讓客戶需要的，是差分晶體振蕩器本身自帶的低相位抖動和低相噪性能，這是振蕩器里最高端的特性。

對頻率系統(tǒng)性能的測量就是它穩(wěn)定性，即在合適的頻率上的頻率波動水平測量。目標(biāo)是將這些波動保持在最低限度;然而，噪音和抖動在系統(tǒng)內(nèi)是不可避免的，并且可以對差分振蕩器性能產(chǎn)生負(fù)面影響。

噪音基礎(chǔ)

噪聲是來自內(nèi)部或外部的信號中的任何不需要的信息外部來源，有些是不可避免的，有些則可以被刪除來自系統(tǒng)。

差分晶振抖動基本介紹

考慮具有兩種狀態(tài)的信號，“開”或“關(guān)”。這個信號有一個脈沖和所有脈沖之間的恒定時間周期是相等的長度。由于差分石英晶體振蕩器輸出信號的性質(zhì)，下一次脈沖時很容易預(yù)測將要到達(dá)。如果你想建立一個利用了它的系統(tǒng)，你可以這種脈沖的本質(zhì);例如，如果兩個脈沖之間的時間是你可以制作一個非常簡單的計時設(shè)備從這個信號。但實(shí)際上沒有什么是這么簡單。再次考慮信號但現(xiàn)在也考慮一些破壞它的東西。這個'噪音'，無論如何在脈沖或外部參數(shù)內(nèi)，偶爾會引起脈沖提前到達(dá)。這基本上是抖動，并且可能由于造成問題而非常成問題。

內(nèi)部噪聲（約翰遜-奈奎斯特噪聲）

有時也稱為熱噪聲或白噪聲組件內(nèi)電荷載流子的熱運(yùn)動。該噪聲水平取決于a的電阻和溫度組件并且在所有頻率上都是相同的，因此是不可簡化的。約翰遜噪聲與帶寬和變化成正比它本質(zhì)上是高斯的。這可以從功率譜得出密度。高斯意味著它均勻分布在中心的兩側(cè)點(diǎn)，中心點(diǎn)是平均值或平均值。這是一個鈴鐺或正常曲線如圖1所示。

射擊噪音

包含電流的電子的離散性質(zhì)也是如此在組件中引起噪聲。這變得非常重要非常低的電流應(yīng)用。這也是白色和不可簡化的。

閃爍噪音

雖然約翰遜和射擊噪聲是獨(dú)立于電路和元件設(shè)計，閃爍噪聲不是。閃爍噪聲（也稱為粉紅噪聲在低頻率下占主導(dǎo)地位并且是由瞬態(tài)引起的組件性能的波動。它遵循類似的趨勢功率=1/f，其中f是頻率。它遵循的是力量隨著頻率的增加，閃爍噪聲趨于0。圖2。

外部噪音

這是一種干擾形式。例子包括50Hz電源電源線，電容和磁耦合。這可以由于電路設(shè)計不良而加劇，沒有經(jīng)過適當(dāng)?shù)念A(yù)見是個問題。

這是晶振結(jié)構(gòu)本身的內(nèi)在因素，包括沖擊和振動等環(huán)境因素。這些是影響晶體本身結(jié)構(gòu)的長期因素，并且可以為此立即討論被忽略。隨機(jī)游走通常定義為小于10Hz而不是抖動。

相位噪聲

在本次討論中，我們對均勻周期波形感興趣圍繞給定點(diǎn)振蕩。例如，方波振蕩接地（0V）和電源電壓（Vs）之間。我們會考慮輸出上升½Vs作為我們的閾值的點(diǎn)參考電壓并使用該值來測量上升脈沖的邊緣。我們不認(rèn)為從0V開始有任何增加我們的上升邊緣可能是隨機(jī)噪音?；蛘呶覀兛梢钥紤]一個關(guān)于水平x軸對稱的正弦波x=0是我們的參考測量點(diǎn)，即0V線。

我們正在有效地尋找相位之間的相位差異原始波形和接收波形，即抖動信號。抖動是根據(jù)時間或單位間隔來描述差分晶體振蕩器的相位噪聲將以弧度或度數(shù)來描述。例如，考慮在其間振蕩的均勻方波然而，在1MHz的頻率下的0V和+Vs被感應(yīng)到電路中是一種噪音，意味著信號提前達(dá)到½Vs。

量化噪音

通常作為信噪比（SNR）給出：定義為a分貝為SNR=20log10（Vs2/VN2）（1）其中Vs和VN是信號和噪聲的均方根電壓分別。

從圖3中可以看出，最終波形超過閾值電壓比前一波形快1/2Vs;由于噪音導(dǎo)致波形提前到達(dá)。在這種情況下，花費(fèi)在0V的時間是前一波形的一半時間。使用：T=1/f（2）我們知道整個周期需要1μs。所以這波形到達(dá)250ns早。這是250ns的抖動或½π或90°的相移?？梢杂脭?shù)學(xué)方法分析以給出更清晰的示例相移和抖動的描述是正弦波形。一個正弦曲線可以寫成：f（t）=Asin（ωt+θ）（3）其中A是波的最大振幅，ω=2πf，θ是相位轉(zhuǎn)移。

例：

考慮以下情形，x是頻率為的正弦曲線1Hz的。波形具有x=sin2πt的等式。然而差分石英晶振噪音是出現(xiàn)并導(dǎo)致波浪移出異相。圖4,5和6。我們有一個0V的閾值電壓，當(dāng)時記錄的時間波穿過水平x軸。時間測量為0.4375秒當(dāng)它穿過x軸時。這是0.0625s的抖動。從此我們可以計算出相移。

從（3）：

f（t）=Asin（ωt+θ）

f（t）=Asin（2πft+θ）

f（t）=Asin（2πt+θ），f=1

f（t）=Asin（2πx0.4375+θ），因為波早期為0.4375s

f（t）=sin（2π×0.4375+θ），A=1

在f（t）=0時，0=2π×0.4375+θ

0=0.875π+θ

-θ=0.875π

θ=0.125π

θ=1/8π相移

相位噪聲圖

在前面的例子中，分析了一次噪聲事件;但是，檢查信噪比如何也很有用（SNR）隨頻率或噪聲的變化而變化。這是繪制的在圖表上，Y軸上顯示的SNR值和距離X軸上表示的基頻的距離。頻率越遠(yuǎn)離基頻越小SNR將成為圖7。

從圖表中，您可以找出各種興趣點(diǎn)例如，SNR功率減半的3dB頻率。這使得能夠繪制圖表以顯示相位噪聲偏移。

圖8中的圖表分解了相位噪聲的來源通過差分晶振體驗。相位噪聲圖是分開的進(jìn)入五個主要區(qū)域，與基頻距離水平X軸和垂直Y軸上的SNR。你可以觀察一下閃爍角，閃爍噪聲可忽略不計的點(diǎn)信號因素;此時此角落頻率以上的所有噪音變得不可簡化。這與前面的噪聲區(qū)域圖非常相似標(biāo)記。

周期和周期到周期抖動

周期抖動是時鐘周期的位置差應(yīng)該和它看起來的點(diǎn)。現(xiàn)在是時候了理想脈沖到達(dá)時的差異和當(dāng)脈沖實(shí)際到達(dá)時。周期到周期抖動是兩個連續(xù)時鐘之間的差異循環(huán)，由此引入系統(tǒng)的抖動導(dǎo)致變化下一個理想的信號。

例如，考慮在兩者之間振蕩的均勻波形接地和+Vs的標(biāo)稱周期為T.然而，抖動會導(dǎo)致反而到達(dá)波形。我們可以說周期循環(huán)抖動是T-t。周期抖動周期難以衡量理想波形基于前一波形的周期。為了找到循環(huán)抖動的下一個周期，我們將比較周期上一期的下一個周期。這通常需要使用能夠測量更快信號的高速定時裝置比波形的頻率。

一種方法是將標(biāo)稱頻率的平均值乘以a長時間使用作為參考。你在假設(shè)噪聲是隨機(jī)的，并且具有高斯分布曲線均值為0.因此，平均頻率不會有差異理論標(biāo)稱頻率。然后測量小變化這個平均時間很短，給你的抖動信號。但是，當(dāng)您考慮加熱時，這會導(dǎo)致問題，改變環(huán)境因素和隨機(jī)游走。另一種方法是使用參考信號，一個干凈的信號源與感興趣的組件相同的標(biāo)稱頻率。來源將需要具有可控頻率。我們需要消除所有外部干擾與適當(dāng)?shù)姆答佅到y(tǒng)。我們還需要創(chuàng)建一個反饋循環(huán)來保持它們的平均值術(shù)語頻率相同，這稱為鎖相。你將可控源鎖定到組件比較他們的長期平均頻率的興趣。這樣可以消除隨機(jī)游走的問題測量信號在可控源處行走由于反饋回路，“行走”量相等。

即使組件被鎖定到循環(huán)中，它仍然可以抖動。出于測量目的，我們對何時感興趣信號越過閾值電壓。（我們的定義點(diǎn)出于興趣;在前面的例子中給出了1/2的Vs在X軸上。）我們對抖動有關(guān)的幾點(diǎn)感興趣導(dǎo)致兩者的閾值電壓的時間差異組件。這兩次的差異將向我們展示組件的抖動。從這些值我們可以繪制一個記錄值的直方圖。

測量抖動

介紹了LV-PECL晶振抖動的基本概念，即治理原則它合乎邏輯且直截了當(dāng);事實(shí)上，這是一個衡量標(biāo)準(zhǔn)理想和非理想波形之間的區(qū)別。然而實(shí)際上，測量可能非常復(fù)雜。在前面的例子中，我們將測量信號與a進(jìn)行了比較理論上理想的信號。然而在現(xiàn)實(shí)世界中，沒有信號是完美的要進(jìn)行測量，您必須有一個干凈的信號進(jìn)行比較用，即一個噪音很小的信號。

均方根抖動（σ）

記錄的數(shù)據(jù)表示為高斯分布根據(jù)所示示例的曲線，也就是說它如下正態(tài)分布模式。通常就是這種情況隨機(jī)抖動源。可以從高斯中進(jìn)行有趣的觀察分發(fā)這些數(shù)據(jù)。我們可以確定根本意義方形抖動σ的寬度。我們還可以觀察到這一點(diǎn)平均抖動為0，這只是理想化的情況高斯分布。

峰峰值抖動

描述測量的抖動的另一種方法是通過顯示通過采用相當(dāng)大的倍數(shù)來達(dá)到峰值到峰值有效值。常見的選擇是使用峰到峰（pk-pk）值為14σ。任何超出此范圍的值都將是非常罕見的，他們幾乎可以忽略不計一個系統(tǒng)，它在兩點(diǎn)之間，然后是最差點(diǎn)案例場景只是兩者之間的峰值到峰值系統(tǒng)的有界邊緣。但請注意這是在制作假設(shè)有界邊緣不允許任何邊界輸出水平的波動高于或低于定義的邊緣。圖9。

我們再次將清潔無噪聲源作為如上所述，兩者都鎖定以允許步行。在一個理想的世界，我們只會看到一個峰值響應(yīng)顯示，但實(shí)際上它會顯示一個明確的信號兩邊都有裙子;這些裙子是差分有源晶振的抖動破壞了信號。也可能有低振幅尖峰或雜散通常出現(xiàn)在信號的任何一側(cè)。

對于不適合高斯或有界的系統(tǒng)我們使用類似于那個的過程用于高斯系統(tǒng)。我們?nèi)∑骄禈颖緩倪@一點(diǎn)開始移動得足夠遠(yuǎn)在這些點(diǎn)上的抖動很少被考慮可以忽略不計。抖動頻率分析顯示抖動的另一種方法是測量頻率域通常通過使用頻譜分析儀。

粉紅噪音。

圖10.注意主信號的定義尖峰和當(dāng)波形變寬并遠(yuǎn)離波形時，裙邊主頻。

量化抖動

上面我們展示了如何通過量化噪音很容易使用信噪比，而我們通常使用抖動表達(dá)它作為預(yù)期之間的時差脈沖和脈沖實(shí)際到達(dá)。對于那些系統(tǒng)在兆赫范圍內(nèi)運(yùn)行，通常量化以皮秒為單位的抖動測量。

抖動效應(yīng)

由于大多數(shù)數(shù)字系統(tǒng)都依賴通用時鐘總線，我們關(guān)心電路是否可以容忍任何輕微的時鐘脈沖時序的變化。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，編碼數(shù)據(jù)是通常是長距離發(fā)送然后解碼一旦收到。然而，需要有一個共同點(diǎn)時鐘允許脈沖被解碼和時鐘。任何一個都受到抖動的影響，可能會有一些數(shù)據(jù)丟失來源的誠信。再次值得考慮你的在選擇合適的晶體振蕩器之前應(yīng)用。

振蕩器中的抖動

振蕩器中的抖動應(yīng)僅來自隨機(jī)源如果他們的設(shè)計正確和輸出頻率匹配晶體的自然共振頻率。該振蕩器中的隨機(jī)抖動應(yīng)足夠小以皮秒為單位測量。應(yīng)該是這種情況對于所有振蕩器，即使對于那些輸出為來自晶體正弦波輸出的方波信號的振蕩器也是如此振蕩器。

可編程晶體振蕩器中的抖動通常是由于輸出頻率的方式較大產(chǎn)生。它們通常使用鎖相環(huán)（PLL）頻率產(chǎn)生的方法，這可以增加他們的對抖動的敏感性，通常在100psrms的量級。考慮可能引入的抖動是有用的來自外部系統(tǒng)的系統(tǒng)。如果是低抖動信號對系統(tǒng)的運(yùn)作至關(guān)重要，然后選擇一個具有低抖動值的組件是不夠的并且是決定應(yīng)該設(shè)計一個最小化抖動的電路。例如，屏蔽元件和電路干擾可能就足夠了或放置一個簡單的RC濾波器在電源線中可以幫助衰減所有高壓紋波來自電源。來自振蕩器的輸出信號可能是純凈而干凈的，但它所在的電路可能很容易受到噪音和抖動的影響。

現(xiàn)在比較熱門的無線通信系統(tǒng)，全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)，衛(wèi)星發(fā)射系統(tǒng)，接收器，汽車系統(tǒng)，飛機(jī)船舶等產(chǎn)品比較需要用到一顆或多顆差分貼片晶振，可以使產(chǎn)品降低噪音和抖動，發(fā)揮出優(yōu)越的作用。