随着网速的提高，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裕度，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，因为大多数数据表提供了抖动和相位噪声的规格，以匹配各种应用程序。这些规格的测量在供应商的实验室与最清洁的电源可用。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。

注意，相位噪声图是平滑的，没有肿块、凸起、不连续，而且对于本文来说最重要的是，没有与电源上的噪声和波纹相关的刺激。在实际应用中，由于在器件表征过程中使用了非常清洁的电源，系统中的电源纹波和噪声会使XO的抖动和噪声超过规定的限制。

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在图上显示一个峰值或“马刺”叠加。根据XO拓扑结构，它们可以进一步扭曲相位噪声图的形状，如图2所示，图1使用3.3V电源运行时，在被测设备(DUT)上注入30 mV峰对峰的50 kHz激振。

注意RMS集成相位抖动读数的增加与50 kHz 30 mVp-p注入。这表明，由于不同的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在应用程序中可能不是最低的。我们需要的是一种测试方法，客户可以使用该方法在应用于其特定情况时选择最佳XO。

背景:

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

RJ -遵循高斯概率密度曲线，来自于定时源不可预测的行为。它的振幅是无界的。RJ的来源与谐振腔的物理性质和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可以有多种来源;一些与比特流相关，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。

本文中的测量过程针对的是XO与其电源的电压纹波和噪声之间相互作用产生的DJ。由于TJ决定了XO在应用程序中的实际性能;增加的DJ是一个可以对系统TJ产生重大影响的来源。该测量方法使用普通测试设备测量XO的RJ、DJ和TJ，并应用电源纹波和噪声进行竞争性比较。

解决方案:

测量方法

从概念上讲，PSNR的测量非常简单:

1. 设置测试设备和夹具
2. 使用清洁电源，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，参见图1和图2的示例
4. 注入最低的频率，并设置振幅到所需的目标
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. 从基线抖动中减去注入噪声的抖动，结果是由附加在电源上的额外信号内容在XO上诱发的DJ

测量资源

将使用下列工具:

1. 相位噪声分析仪(PNA) -测量抖动
2. 示波器(O-scope) -测量DUT电源引脚的直流电平和交流注入幅值
3. 直流电源(dps) -低噪声直流电源
4. 函数发生器(FG) -提供噪声刺激
5. XO评估板——为XO提供适当的偏置和终止
6. Balun -将差动装置输出转换为PNA的单端仪器输入
7. 动力导轨探头(PRP) -与量具配合使用的探头
8. 电源线注入器(PLI)——结合dps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，如图4所示。可以使用实时示波器(RTO)代替PNA进行这种类型的测量[3,4]，但由于PNA的噪声下限低，因此选择它。

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(参见[5])，频率变化≤10hz被认为是漫游而不是抖动。这种漂移是由于环境温度变化和其他缓慢移动的影响。由于有些xo使用低频谐振器和锁相环来产生高频输出，因此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，需要测试这些频率以了解XO的TJ和PSNR如何反应。由于旁路电容的阻抗要消耗更多的电流来维持相同的电压幅值，所以测试设置的上端可能会受到其在更高频率下产生足够电流以维持注入幅值的能力的限制，这是测试设置的一个限制。

建议的范围-本文使用:50赫兹，100赫兹，200赫兹，500赫兹，1 kHz, 2 kHz, 5 kHz, 10 kHz, 20 kHz, 50 kHz, 100 kHz, 200 kHz, 500 kHz, 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，这来自于网络应用程序，信号完整性工程师使用这作为他们选择的关键参数。还有其他的集成范围可以使用，一些应用程序更关心“接近相位噪声”，那些可能使用范围到约10hz。

通过在PNA中输入不同的积分开始和停止限制，可以很容易地改变范围。对于本文，我们将展示两个积分范围的结果，12 kHz到20 MHz和40 Hz到20 MHz，以显示范围选择如何影响测量。

PNA起停频率范围:PNA测量可能需要很长时间，特别是对于低偏移频率。如果启动频率低于10hz，则会增加测量时间，且不会对数据产生影响。因此建议在10hz启动PNA。对于上限，使用可用的最高频率，包括20兆赫，因为这将涵盖12 kHz到20兆赫的集成范围。

注入振幅

名义振幅选择-振幅必须足够高，在Vcc引脚可测量。在实际操作中，约1%的标称Vcc幅值是一个相当典型的电源纹波，因此在3.3V电源上使用30 mVp-p。

调整一致的注入幅度与频率—由于去耦电容、XO输入阻抗和电源输出阻抗的影响，必须对输入电平进行监控和调整。随着注入频率的变化，注入振幅也随之变化。随着频率的变化会有小的变化(偏移量为±50 mV，振幅为±5 mV)，但较大的变化会影响结果。

输出终端和巴伦接口

差动输出xo通常需要非常低的抖动水平，它们比单端具有更高的信噪比，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。使用正确的终端是很重要的，因为它会影响时钟波形的形状，如果不正确会导致更高的TJ。因此，终端设计和值被选为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节来连接差速器XO输出到PNA输入。在终端网络后面使用一个balun，将网络的差动输出转换为PNA的单端输入。

测量结果，数据简化和PSNR计算

PSNR是用PNA的综合RMS相位抖动试验计算的两个测量结果计算出来的。第一个测量是清洁电源的“基线”相位噪声;参见图1。确保PNA正确设置载波频率、频率偏移、过溢和下溢以及其他可能影响读数的设置条件是很重要的。最好从PNA中捕获相位噪声数据作为CSV文件以及显示的屏幕截图，以供以后的文档使用。

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。利用综合的RMS相位抖动结果，PSNR的计算方法是，从注射时的TJ减去每个注射频率下测量结果的RJ基线测量值，并除以注射振幅，得到单位fs/mV。表1给出了一个测试爱普生SG7050EEN 156.25 MHz XO的例子，测量和计算了40 Hz到20 MHz和12 kHz到20 MHz的集成RMS相位噪声。

图4绘制了两个积分范围下，表1的TJ和PSNR随注入频率变化的结果。注意，与40赫兹到20 MHz的响应相比，12 kHz到20 MHz的PSNR响应在积分的下限上是多么平坦。使用这种XO，电源噪声不会产生高次谐波，因此在积分范围以下的频率注入不会影响测量，只测量RJ。一旦注入频率进入PNA的积分范围，PSNR显示预期的注入冲程，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到20 MHz结果的应用程序，为了查看XO如何响应低频电源噪声，注入更低范围的频率和集成更大范围的频率也是有用的。在本文的后面，我们将看到对XO的类似测量，其中高频内容由低频注入创建。这种差异可能是选择产品时的一个重要考虑因素。

XO的比较结果

本文的这一部分将展示在三个Epson的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指定的相位抖动最大为70 fs。SG7050EAN指定为最大600 fs, XG2102CA指定为最大180 fs。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点。

使用本文中的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，我们将重点关注从40 Hz到20 MHz的集成RMS相位噪声结果，以便展示如何使用测试的全范围来表征全频率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与鲁棒PSNR相结合的效果最好。与XG-2102CA相比，SG7050EAN高达1 MHz的TJ性能更低，证明了这一点。(尽管XG-2012CA的相位抖动规格比XG-2012CA好3.3倍。)

结论:

设计师在他们的应用程序中不断突破极限，可能会遇到XO性能不适合下一个设计的情况，这是由于XO对电源中的噪声和波纹的反应方式。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一个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的一个(或多个)。通过本文提供的PSNR测试方法，他们可以进行测量，以选择能给他们带来最佳性能的XO。

引用:

[1] Maxim集成，“数字通信系统中的抖动，第1部分”，圣何塞，加利福尼亚州，应用注:HFAN-4.0.3, Rev 0, 2001年9月

Maxim集成，“数字通信系统中的抖动，第2部分”，圣何塞，加利福尼亚州，应用注:HFAN-4.0.4, Rev 0, 2002年3月

[3] Rohde & Schwarz，“时域和频域抖动测量的比较”，慕尼黑，德国，应用卡PD 5215.3279.92，版本01.00,2017年7月

Mathias Hellwig博士，“用R&S®RTO数字示波器进行抖动分析”，Rohde & Schwarz，慕尼黑，德国，应用说明PD 1TD03_2e，版本01.00,2017年7月

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