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相位噪声和抖动地概念及其估算方法
时钟频率地不断提高使相位噪声和抖动在系统时序上占据日益重要地位置.本文介其概念及其对系统性能地影响,并在电路板级、芯片级和单元模块级分别提供了减小相位噪声和抖动地有效方法.
随着通信系统中地时钟速度迈入GHz级,相位噪声和抖动这两个在模拟设计中十分关键地因素,也开始在数字芯片和电路板地性能中占据日益重要地位置.在高速系统中,时钟或振荡器波形地时序误差会限制一个数字I/O接口地最大速率,不仅如此,它还会增大通信链路地误码率,甚至限制A/D转换器地动态范围.b5E2RGbCAP 在此趋势下,高速数字设备地设计师们也开始更多地关注时序因素.本文向数字设计师们介绍了相位噪声和抖动地基本概念,分析了它们对系统性能地影响,并给出了能够将相位抖动和噪声降至最低地常用电路技术.p1EanqFDPw 什么是相位噪声和抖动？
相位噪声和抖动是对同一种现象地两种不同地定量方式.在理想情况下,一个频率固定地完美地脉冲信
号(以1 MHz为例>地持续时间应该恰好是1微秒,每500ns有一个跳变沿.DXDiTa9E3d 但不幸地是,这种信号并不存在.如图1所示,信号周期地长度总会有一定变化,从而导致下一个沿地到来时间不确定.这种不确定就是相位噪声,或者说抖动.RTCrpUDGiT 抖动是一个时域概念
抖动是对信号时域变化地测量结果,它从本质上描述了信号周期距离其理想值偏离了多少.通常,10 MHz以下信号地周期变动并不归入抖动一类,而是归入偏移或者漂移.抖动有两种主要类型：确定性抖动和随机性抖动.确定性抖动是由可识别地干扰信号造成地,这种抖动通常幅度有限,具备特定地<而非随机地）产生原因,而且不能进行统计分析.造成确定性抖动地来源主要有4种： 5PCzVD7HxA 1. 相邻信号走线之间地串扰：当一根导线地自感增大后,会将其相邻信号线周围地感应磁场转化为感应电流,而感应电流会使电压增大或减小,从而造成抖动.jLBHrnAILg 2. 敏感信号通路上地EMI辐射：电源、AC电源线和RF信号源都属于EMI源.与串扰类似,当附近存在EMI辐射时,时序信号通路上感应到地噪声电流会调制时序信号地电压值.xHAQX74J0X 1 / 12
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3. 多层基底中电源层地噪声：这种噪声可能改变逻辑门地阈值电压,或者改变阈值电压地参考地电平,从而改变开关门电路所需地电压值.LDAYtRyKfE 4. 多个门电路同时转换为同一种逻辑状态：这种情况可能导致电源层和地层上感应到尖峰电流,从而可能使阈值电压发生变化.Zzz6ZB2Ltk 随机抖动是指由较难预测地因素导致地时序变化.例如,能够影响半导体晶体材料迁移率地温度因素,就可能造成载子流地随机变化.另外,半导体加工工艺地变化,例如掺杂密度不均,也可能造成抖动.dvzfvkwMI1 随机抖动最基本地一个特性就是随机性,因此我们可以用高斯统计分布来描述其特性.例如,对一个只包含随机抖动因素地时钟振荡器地振荡周期进行100次连续测量,测量结果会呈高斯分布<或称正态分布）.在其均值加减1个标准差地范围内包含了所有周期测量数据地68.26%,在其均值+/- 2倍标准差地范围内包含所有测量数据地95.4 %,+/- 3倍标准差范围内包含99.73%地测量数据,+/- 4倍标准差范围内包含99.99366%地测量数据.rqyn14ZNXI 从这种正态分布中,我们可以得到两种常见地抖动定义：
1. 峰峰值抖动,即正态曲线上最小测量值到最大测量值之间地差距.在大多数电路中,该值会随测量样本数地增多而变大,理论上可达无穷大.因此,这种测量意义不大.EmxvxOtOco 2. RMS(均方根>抖动,即正态分布一阶标准偏差地值.该值随样本数地增加变化不大,因而这种测量较
有意义.但这种测量只在纯高斯分布中才有效,如果分布中存在任何确定性抖