關(guān)于晶振及其典型應(yīng)用的探討

　　2、相位噪聲

　　相位噪聲：在頻域上，數(shù)據(jù)偏移量用相位噪聲來定義。如圖2所示為典型的相位噪聲曲線圖。橫軸代表頻率，單位是Hz，縱軸代表功率譜密度，單位是dBc/Hz。

　　對于頻率為f0的時鐘信號而言，如果信號上不含抖動，則信號的所有功率應(yīng)集中在頻率點(diǎn)f0處，由于任何信號都存在抖動，這些抖動有些是隨機(jī)的，有些是確定的，分布于相當(dāng)廣的頻帶上，因此抖動的出現(xiàn)將使信號功率被擴(kuò)展到這些頻帶上。信號的相位噪聲，就是信號在某一特定頻率處的功率分量，將這些分量連接成的曲線就是相位噪聲曲線。相位噪聲通常定義為在某一給定偏移處的dBc/Hz值，其中dBc是以dB為單位的該功率處功率與總功率的比值。如一個振蕩器在某一偏移頻率處的相位噪聲定義為在該頻率處1Hz帶寬內(nèi)的信號功率與信號總功率的比值，即在fm頻率處1Hz范圍內(nèi)的面積與整個噪聲頻率下的所有面積之比。

　　圖2 信號相位噪聲曲線圖

　　從相位噪聲曲線圖可知，絕大多數(shù)抖動都集中在頻率f0附近，距離f0越遠(yuǎn)的頻段，抖動能量越小。

　　以下面的例子為例，說明對時鐘輸入的要求：

　　RMS JPER(12kHz~20MHz)：0.5ps

　　相位噪聲(10~100kHz)：-120dBc/Hz

　　這實際上是兩個要求，一個是要求在頻段12kHz~20MHz內(nèi)，均方根抖動不能大于0.5ps;另一方面要求在頻段10~100kHz內(nèi)，任何頻點(diǎn)處的功率譜密度都不能超過-120dBc/Hz。

　　使用頻譜分析儀測量相位噪聲的步驟：

　　(1) 在頻譜分析儀上設(shè)置與被測信號頻率相同的中心頻率(Center Frequence)，并使被測信號靠近屏幕的左側(cè)。

　　(2) 在頻譜分析儀上設(shè)置參考電平(REF LEVEL)，略大于或等于被測載波信號的實際輸出電平值。

　　(3) 在頻譜分析儀上根據(jù)被測信號頻率的大小設(shè)置適當(dāng)?shù)膾哳l寬度(SPAN)、分辨率帶寬(RWB)、視頻帶寬(VBW)使其能顯示被測信號在有效帶寬內(nèi)的一個或兩個噪聲邊帶。

　　(4) 用頻譜分析儀分別測量載波功率PC和指定偏離載波f處的邊帶噪聲功率Pm。也可以直接用頻譜分析儀的ΔMARKER功能測出PC和Pm的差值，并記錄此時的RBW。

　　(5) 對指定頻偏點(diǎn)的單邊帶相位噪聲按以下公式計算歸一化的相位噪聲值。

　　Ψ(f)=Pm/Pc-10lg1.2RBW/(1Hz)+2.5

　　如果頻譜分析儀具備歸一化的相位噪聲計算分析測量軟件，則可直接測得已經(jīng)歸一化的相位噪聲值。

　　測試中的注意事項：

　　(1) 頻譜儀的本振相位噪聲應(yīng)低于被測源的相位噪聲。(對于有源晶振而言，該點(diǎn)一般都滿足)。

　　(2) 頻譜儀應(yīng)去多次測試平均值。

　　(3) 頻譜儀的分辨率帶寬RBW值應(yīng)盡量小。

　　三、晶振電路設(shè)計

　　有源晶振EMC標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計電路如下：

　　原理圖注意事項：

　　(1) 有源晶振的電源引腳最好不要直接接電源，而是通過一個磁珠后接入，這可大大降低電源噪聲對時鐘輸出頻率的影響。晶振電源的去耦電容的匹配也很重要，去耦電容一般選3個，容值依次遞減。

　　(2) 有源晶振的時鐘輸出端串聯(lián)一個小電阻，作用是為了減少信號反射，以免造成信號反射引起的信號過沖。電阻R1是預(yù)留匹配設(shè)計，可根據(jù)實驗情況進(jìn)行阻值調(diào)整。其具體作用如下：

　　可以減少諧波。有源晶振的輸出是方波，當(dāng)阻抗嚴(yán)重不匹配的時候?qū)⒁鹬C波干擾。加上串聯(lián)電阻后，該電阻與輸入電容構(gòu)成RC電路，將方波變成正弦波。

　　可以進(jìn)行阻抗匹配，減少反射信號的干擾。

　　(3) C5是預(yù)留設(shè)計，可根據(jù)實驗情況進(jìn)行調(diào)整，它的作用是：與串聯(lián)電阻組成RC濾波電路，減少時鐘信號的過沖。

　　PCB設(shè)計注意事項：

　　(1) 耦合電容應(yīng)盡量靠近晶振的電源引腳，位置擺放順序：按電源流入方向，依容值從大到小依次擺放，容值最小的電容最靠近電源引腳。

　　(2) 晶振的外殼必須接地，可以晶振的向外輻射，也可以屏蔽外來信號對晶振的干擾。

　　(3) 晶振下面不要布線，保證完全鋪地，同時在晶振的300mil范圍內(nèi)不要布線，這樣可以防止晶振干擾其他布線、器件和層的性能。

　　(4) 時鐘信號的走線應(yīng)盡量短，線寬大一些，在布線長度和遠(yuǎn)離發(fā)熱源上尋找平衡。

　　(5) 晶振不要放置在PCB板的邊緣，在板卡設(shè)計時尤其注意該點(diǎn)。