评估振荡器电源噪声抑制:重要的是总抖动

随着网络速度的提高，满足眼高和眼宽信号完整性指标的挑战变得更具挑战性。最大化这些指标有助于在目标波特率下实现指定的误码率(BER)。可以利用的一个领域来获得设计余量，特别是眼宽，是最小化晶体振荡器(XO)参考时钟的抖动和噪声。

从表面上看，选择抖动和噪声最低的XO是一项简单的任务，因为大多数数据表都提供了与各种应用相匹配的抖动和相位噪声规格。这些规格是在供应商的实验室测量的，可用的最清洁的电源。图1是使用爱普生SG7050EEN 156.25 MHz LV-PECL差分输出XO的相位噪声图示例。重点介绍了12 kHz至20 MHz和40 Hz至20 MHz集成RMS相位抖动测量的结果。

请注意，相位噪声图是平滑的，没有肿块、凸起、不连续，而且对本文来说最重要的是，没有与电源上的噪声和波纹相关的马刺。在实际应用中，由于在设备表征过程中使用了非常干净的电源，系统中的电源纹波和噪声会使XO的抖动和噪声超出指定的限制。

供电线路上纹波和噪声的谱含量直接影响相位噪声的形状。对于离散噪声，每个与噪声相关的独立频率都在图上叠加一个峰值或“马刺”。根据XO拓扑结构，它们可以进一步扭曲相位噪声图的形状，参见图2，图1中使用3.3V电源运行的被测设备(DUT)上注入30 mV峰对峰的50 kHz杂散。

注意在50 kHz 30 mVp-p注入时RMS集成相位抖动读数的增加。这表明，由于不同XO对电源噪声和纹波的反应不同，具有最低抖动和噪声规格的XO在应用中可能不是最低的。我们所需要的是一种测试方法，当客户应用于他们的特定情况时，可以使用该方法来选择最佳XO。

背景:

总抖动(TJ)与误码率之间的相关性已经很好地建立起来，参见[1]和[2]。在正确的单位下，TJ可以分解为随机抖动(RJ)和确定性抖动(DJ)的和。RJ和DJ定义为:

RJ -遵循高斯概率密度曲线，来自于定时源的不可预测行为。它的振幅是无界的。RJ的来源与谐振器的物理特性和XO电路的设计有关。其中一些特性可能包括与电阻基本特性相关的热噪声或约翰逊噪声。

DJ -是可预测的，不遵循高斯分布;它是有界的，它的振幅是固定的。DJ可以有多个来源;一些与比特流有关，而另一些则是由于系统组件之间的相互作用。一个例子是电源和XO内部电路之间的相互作用。

本文中的测量程序解决了来自XO与其电源电压纹波和噪声之间相互作用的DJ。由于TJ决定了XO在应用程序中的实际性能;添加的DJ是一个可以对系统的TJ产生重大影响的源。该测量方法使用常见的测试设备来测量XO的RJ、DJ和TJ，并应用电源纹波和噪声来进行竞争性比较。

解决方案:

测量方法

从概念上讲，PSNR的测量非常简单:

1. 安装测试设备和夹具
2. 使用干净的电源，将直流电压设置为目标电压
3. 测量XO的基线相位噪声响应，示例参见图1和图2
4. 注入最低频率，并将振幅设置为所需的目标
5. 在电源上叠加一个类似噪声的信号
6. 重新测量带有注入噪声的抖动，参见图2中的示例
7. 从基线抖动中减去噪声注入抖动，结果是XO上叠加在电源上的额外信号内容所诱导的DJ

测量资源

将使用下列仪器:

1. 相位噪声分析仪(PNA) -测量抖动
2. 示波器(o型示波器)-用于测量DUT电源引脚上的直流电平和交流注入振幅
3. 直流电源(DCPS) -低噪音直流电源
4. 函数发生器(FG) -提供噪音刺激
5. XO评估板-为XO提供适当的偏置和终止
6. Balun -将差动设备输出转换为PNA的单端仪器输入
7. 动力轨道探头(PRP) -与瞄准镜配合使用的探头
8. 电源线注入器(PLI) -结合DCPS和FG输出，输出结果作为DUT的电源

图3显示了使用PNA的测试设置的示意图，图4显示了它的图示。可以使用实时示波器(RTO)来代替PNA来进行这种类型的测量[3,4]，但由于PNA的低噪声底，所以选择了它。

频率范围

注射频率范围：

下界-根据学术界和后来的电信规范(见[5])，频率变化≤10hz被认为是徘徊而不是抖动。这种漂移是由于环境温度变化和其他缓慢移动的影响。由于一些xo使用低频谐振器和锁相环来创建高频输出，低频电源噪声可以在更高频率下产生谐波，我们希望包括50/60 Hz噪声的影响，本文使用50 Hz。

上界- DC/DC转换器的纹波频率在50 kHz到1 MHz的范围内，需要在这些频率上进行测试，以了解XO的TJ和PSNR如何反应。由于旁路电容器的阻抗消耗了更多的电流来维持相同的电压幅值，因此测试设置的能力可能会限制测试设置的上端，以获得足够的电流来维持较高频率的注入幅值，这是测试设置的限制。

建议的范围-本文使用:50 Hz, 100 Hz, 200 Hz, 500 Hz, 1 kHz, 2 kHz, 5 kHz, 10 kHz, 20 kHz, 50 kHz, 100 kHz, 200 kHz, 500 kHz和1 MHz。

相位噪声积分范围xo通常指定12 kHz到20 MHz的集成范围，这来自于网络应用，信号完整性工程师将此作为他们选择的关键参数。还有其他可以使用的集成范围，一些应用程序更关心“近相噪声”，这些可能使用范围低至约10 Hz。

通过在PNA中输入不同的集成开始和停止限制，可以轻松更改范围。对于本文，我们将展示两个集成范围的结果，12 kHz至20 MHz以及40 Hz至20 MHz，以展示范围选择如何影响测量。

PNA启动和停止频率范围:PNA测量可能需要很长时间，特别是对于低偏置频率。启动频率低于10hz会增加测量时间，且不受注入影响。建议以10hz的频率启动PNA。对于上限，请使用包括20 MHz在内的最高频率，因为这将覆盖12 kHz到20 MHz的集成范围。

注入振幅

标称振幅选择-振幅必须足够高，在Vcc引脚处可以测量。在实践中，振幅为标称Vcc的1%是一个合理的典型的电源纹波，因此在3.3V电源上使用30 mVp-p。

调整一致的注入振幅与频率由于去耦电容、XO输入阻抗和电源源的输出阻抗的影响，输入电平必须监测和调整。随着注入频率的变化，注入振幅也随之变化。随着频率的变化很小(偏差为±50 mV，振幅为±5 mV)，但较大的变化将影响结果。

输出终止和Balun接口

差分输出xo通常需要非常低的抖动水平，它们提供了比单端更高的信噪比，更适合高频应用。实际上，差分XO的输出通过与系统输出类型和频率相匹配的终端网络连接到目标IC的差分输入。使用正确的终止是很重要的，因为这会影响时钟波形的形状，如果不正确，会导致更高的TJ。出于这个原因，终端设计和值被选择为LV-PECL输出的“行业标准”。

PNA输入是50Ω单端输入，因此需要某种类型的信号调理来连接差分XO输出到PNA输入。在终端网络后面使用一个balun，将网络的差分输出转换为PNA的单端输入。

测量结果，数据约简和PSNR计算

PSNR是利用PNA的集成RMS相位抖动测试计算，从两次测量结果中计算出来的。第一个测量是清洁电源的“基线”相位噪声;参见图1。重要的是要确保PNA对载频、频率偏移、过流和下流以及其他可能影响读数的设置条件进行正确设置。从PNA捕获相位噪声数据作为一个CSV文件以及显示的屏幕截图是一个好主意，以供以后的文档编制之用。

下一步是开始注入，并在每个注入频率开始测量，并捕获PNA的测量结果，这是TJ结果。使用集成的RMS相位抖动结果，PSNR的计算方法是:从有注入的TJ减去每个注入频率下测量结果的RJ基线测量值，并除以注入幅度，得到单位为fs/mV。请参见表1测试爱普生SG7050EEN 156.25 MHz XO的示例，测量和计算40 Hz至20 MHz和12 kHz至20 MHz集成RMS相位噪声。

图4显示了表1的TJ和PSNR结果随注入频率的变化。请注意，与40 Hz到20 MHz响应相比，12 kHz到20 MHz PSNR响应达到集成的下限是多么平坦。使用这种XO，电源噪声不会产生高阶谐波，因此低于积分范围的频率注入不会影响测量，并且只测量RJ。一旦注入频率进入PNA的积分范围，PSNR显示预期的注入距，并给出可测量的PSNR结果。这证明了前面的观点，即使对于传统上考虑12 kHz至20 MHz结果的应用程序，注入较低范围的频率并在较宽范围的频率上集成也是有用的，以便了解XO如何响应低频电源噪声。在本文的后面部分，我们将看到对XO的类似测量，其中高频含量由低频注入产生。这种差异在选择产品时是一个重要的考虑因素。

XO结果比较

本文的这一部分展示了在三个爱普生156.25 MHz LV-PECL输出xo上运行基线测量的结果，以展示如何进行比较。为此，我们使用SG7050EEN指定的相位抖动为70 fs max。SG7050EAN指定为600 fs max, XG2102CA指定为180 fs max。SG7050EAN是SG7050EEN的老一代，使用低频Xtal谐振器和锁相环来获得最终输出频率，而XG2102CA是表面声波(SAW) XO，因此它使用了非常不同的谐振器技术，代表了更老一代的XO。图5显示了每个XO的基线响应，注意每个XO的图是如何不同的，这是谐振器类型和每个谐振器的设计拓扑的特征。

本文使用PSNR测量技术对所有三个xo进行了测试和比较，图6显示了来自这些测量的TJ结果，图7显示了PSNR结果。请注意，在本节中，我们将重点介绍从40 Hz到20 MHz的集成RMS相位噪声结果，以展示如何使用全范围的测试来表征频率上的完整PSNR性能。

将图6的TJ结果与图7的PSNR结果进行比较，可以看出，低RJ和鲁棒PSNR的组合提供了最好的性能。与XG-2102CA相比，SG7050EAN高达1 MHz的TJ性能较低，证明了这一点。(这是即使XG-2012CA的相位抖动规格是3.3倍更好。)

结论:

在应用程序中不断突破极限的设计人员可能会遇到这样的情况:由于XO对电源中的噪声和纹波的反应方式，XO性能不适合他们的下一个设计。为了实现最佳性能，他们很可能会发现，他们需要做的不仅仅是简单的数据表评估来选择下一个XO，客户可能需要自己测试PSNR，以找到为他们的设计提供最低TJ的产品。使用本文中的PSNR测试方法，他们可以进行测量，以选择能够为他们的资金提供最佳性能的XO。

引用:

Maxim集成，“数字通信系统中的抖动，第1部分”，加利福尼亚州圣何塞，应用说明:hfan4.0.3, Rev 0, 2001年9月

马克沁集成，“数字通信系统中的抖动，第2部分”，加州圣何塞，应用说明:hfan4.0.4, Rev 0, 2002年3月

[3]罗德与施瓦茨，“时域和频域抖动测量的比较”，德国慕尼黑，应用卡PD 5215.3279.92，版本01.00,2017年7月

Mathias Hellwig博士，“R&S®RTO数字示波器的抖动分析”，罗德与施瓦茨公司，慕尼黑，德国，应用说明PD 1TD03_2e，版本01.00,2017年7月

[5]国家标准和技术研究所，“时钟和振荡器的特性”，NIST技术说明1337，美国商务部，1990年3月