時鐘相位噪聲測量中雜散的討論及應用

在本輯的“秒懂時鐘”文章中，我想繼續(xù)上期關于時鐘相位噪聲測量中雜散的討論。上次我們說道，時鐘相位噪聲圖中的雜散信號是離散頻率分量。雜散通常很少且幅度較低，但通常不受歡迎，因為它們會影響時鐘的總抖動。

然而，雜散也可以用于時序設備的評估和表征。我們可以使用配置為低電平調制的實驗室信號源將直接或間接的頻率分量作為輸入激勵應用于時鐘設備或系統(tǒng)。然后用頻譜分析儀或相位噪聲分析儀測量得到的輸出時鐘雜散。

在這篇文章中，我將簡要回顧一下適合的信號調制選項。接下來我將討論一些值得注意的測量。最后，我將給出選擇示例的結果，抖動傳輸。歡迎往下閱讀或點擊“閱讀原文”至Silicon Labs中文社區(qū)觀看完整文章。

大多數(shù)實驗室級別的發(fā)生器有三種基本的模擬調制選項，即AM，FM或PM，分別指的是調幅，調頻和相位調制。每個人都在我們的“ spur toolbox ”中占有一席之地。但首先，考慮下面的每個頻譜分析儀屏幕大小。該載波標稱為100MHz，并且在距載波100kHz偏移的每一側有一對對稱的雜散信號。每個雜散距離載波約60dB。

你能告訴哪個屏幕上限對應于AM，FM或PM嗎？不，不是，沒有額外的信息。在這個特定的例子中，圖像按字母順序排列。

那么，為什么他們很難區(qū)分呢？有幾個原因：

1. 頻譜分析儀只測量光譜的振幅，而不測量相位。在這個意義上，它就像一個電壓表。請參閱Keysight Technologies的Spectrum Analysis Basics應用筆記。

2. FM和PM都是角度調制方法，它們的行為方式相同，只是其調制功能不同。 FM信號可以產生PM，反之亦然。

3. 最后，在低調制指數(shù)下，AM，FM和PM邊帶振幅看起來非常相似。

我們來看看最后幾點的細節(jié)。Keysight Technologies的Spectrum Analysis Amplitude and FrequencyModulation（https://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/5954-9130.pdf）應用筆記中附錄了以下關系。

注意：這些FM組件與AM的大小相同，但與AM不同，在下邊帶前有一個負號。但是，由于頻譜分析儀不保存相位信息，因此低調制AM，FM和PM組件看起來相同。

通常，AM，FM或PM的SSB或單邊帶雜散與載波比率是20 * log10（調制指數(shù)/ 2）。例如，給定200 Hz峰值頻率偏差和100 kHz頻率調制，我們預計SSB雜散如下：

SL = 20 log10 {(200/2)/100E3} = -60 dBc

現(xiàn)在，這里是使用FM與PM的實用方面。如果您的信號源支持PM，那么您可以直接輸入峰值相位調制量。當您逐步調整頻率或刺激偏移頻率時，無需更改此設置。但是，如果您的信號源僅支持FM，則必須按照以下關系維護頻率調制指數(shù)。

在這種情況下，您需要調整峰值頻率偏差Delta-f以及調制頻率fm以保持Beta恒定。

通常，我們將使用頻譜分析儀或相位噪聲分析儀來測量頻域中的輸出時鐘雜散。我們選擇不同的調制方法，這取決于我們需要對系統(tǒng)應用哪種激勵。下表總結了一些值得注意的測量。我將簡要地討論這些測試中的每一個，然后更詳細地關注最后一個測試。

您會注意到FM或PM可用于生成抖動傳輸測試的輸入時鐘雜散。唯一需要跟蹤的是相位或頻率調制指數(shù)。現(xiàn)代AWG（任意波形發(fā)生器）通常支持AM，FM和PM。更高頻率的射頻和微波信號發(fā)生器也至少支持FM。

這里是關于表中提到的每個測試的更多細節(jié)。

高增益設計良好的時鐘緩沖器將傾向于抑制AM并且僅通過相位（定時）誤差。然而，沒有輸入時鐘緩沖器是完美的，并且可以發(fā)生一些AM-PM轉換。這種轉換的機制和數(shù)量通常會根據(jù)調制頻率而有所不同。

該測試的設置是直接進行的，即將輸入時鐘與AM一起使用，然后在幅度調制頻率處檢查輸出時鐘雜散偏移。進行這種測試時需要注意幾點注意事項：

• 保持低的調制指數(shù)，因此實際上只有一個邊帶刺激的后果。

• 改變感興趣區(qū)域的調制頻率。

• 在頻譜分析儀或相位分析儀的輸入端使用限幅器，以便我們不必擔心儀器中的AM到PM轉換。

PSR或電源抑制類似于之前的測試，因為應用了AM。但是，在這種情況下，它不是調制的輸入時鐘。相反，AM通過電源間接引入，然后像以前那樣刺激測量。這種類型的測量還通過其他名稱，如PSRR（電源抑制比）或電源紋波測試。

除了早先的AM-PM注意事項之外，還有其他一些：

• 如果可能，我們通常要移除所有旁路電容。這消除了一個變量，并且更容易注入固定的幅度波動，例如，在感興趣的頻率范圍內進入電源干線100 mVpp。比較設備時也比較公平。

• AM需要注入電源而不會影響儀器或其他系統(tǒng)組件。我們通常為此使用偏置式Tee。

• 一致性對低水平雜散測量很重要，因此在比較設備時盡量保持設置相同。

檢查時鐘PLL芯片傳輸曲線的一種相對快速的方法是應用低電平PM或FM雜散信號，并將調制偏置頻率從遠低于預期環(huán)路帶寬的地方調到遠遠高于它。然后使用相位噪聲分析儀，啟用Max Hold，您將看到施加的雜散是如何滾降的。雜散幅度的漸近線允許我們估計環(huán)路帶寬。

您可以通過查看相位噪聲來了解發(fā)生了什么，但使用固定的調制索引輸入時鐘可以更精確地測量傳輸函數(shù)。下面的兩個屏蔽帽是對Si5345抖動衰減器應用相位調制的25 MHz輸入時鐘（0.2°相位偏差），并在最大保持時間內連續(xù)測量相位噪聲，以獲得100 MHz的輸出時鐘。

在下面的第一種情況下，DSPLL帶寬設置為400 Hz。如預期的那樣，該圖顯示注釋的漸近線在400Hz左右相交。拐角頻率附近的滾降略高于30 dB / dec。

在下面的第二種情況下，DSPLL帶寬設置為4 kHz。這次曲線顯示注釋的漸近線相交于4.5 kHz左右，比標稱目標稍寬。這里轉角頻率附近的滾降看起來接近25dB / dec。

使用Max Hold功能可以讓我們進行手動測量。然而，我們可以使用平均和存儲運行集合中的雜散幅度來進行更仔細的測量，以準確表征DUT的環(huán)路帶寬。

與往常一樣，如果您有建議，或者有問題想要回答，請發(fā)送郵件至kevin.smith@silabs.com，并在主題行中添加Timing 101字樣。