关于晶振及其典型应用的探讨

　　2、相位噪声

　　相位噪声：在频域上，数据偏移量用相位噪声来定义。如图2所示为典型的相位噪声曲线图。横轴代表频率，单位是Hz，纵轴代表功率谱密度，单位是dBc/Hz。

　　对于频率为f0的时钟信号而言，如果信号上不含抖动，则信号的所有功率应集中在频率点f0处，由于任何信号都存在抖动，这些抖动有些是随机的，有些是确定的，分布于相当广的频带上，因此抖动的出现将使信号功率被扩展到这些频带上。信号的相位噪声，就是信号在某一特定频率处的功率分量，将这些分量连接成的曲线就是相位噪声曲线。相位噪声通常定义为在某一给定偏移处的dBc/Hz值，其中dBc是以dB为单位的该功率处功率与总功率的比值。如一个振荡器在某一偏移频率处的相位噪声定义为在该频率处1Hz带宽内的信号功率与信号总功率的比值，即在fm频率处1Hz范围内的面积与整个噪声频率下的所有面积之比。

　　图2 信号相位噪声曲线图

　　从相位噪声曲线图可知，绝大多数抖动都集中在频率f0附近，距离f0越远的频段，抖动能量越小。

　　以下面的例子为例，说明对时钟输入的要求：

　　RMS JPER(12kHz~20MHz)：0.5ps

　　相位噪声(10~100kHz)：-120dBc/Hz

　　这实际上是两个要求，一个是要求在频段12kHz~20MHz内，均方根抖动不能大于0.5ps;另一方面要求在频段10~100kHz内，任何频点处的功率谱密度都不能超过-120dBc/Hz。

　　使用频谱分析仪测量相位噪声的步骤：

　　(1) 在频谱分析仪上设置与被测信号频率相同的中心频率(Center Frequence)，并使被测信号靠近屏幕的左侧。

　　(2) 在频谱分析仪上设置参考电平(REF LEVEL)，略大于或等于被测载波信号的实际输出电平值。

　　(3) 在频谱分析仪上根据被测信号频率的大小设置适当的扫频宽度(SPAN)、分辨率带宽(RWB)、视频带宽(VBW)使其能显示被测信号在有效带宽内的一个或两个噪声边带。

　　(4) 用频谱分析仪分别测量载波功率PC和指定偏离载波f处的边带噪声功率Pm。也可以直接用频谱分析仪的ΔMARKER功能测出PC和Pm的差值，并记录此时的RBW。

　　(5) 对指定频偏点的单边带相位噪声按以下公式计算归一化的相位噪声值。

　　Ψ(f)=Pm/Pc-10lg1.2RBW/(1Hz)+2.5

　　如果频谱分析仪具备归一化的相位噪声计算分析测量软件，则可直接测得已经归一化的相位噪声值。

　　测试中的注意事项：

　　(1) 频谱仪的本振相位噪声应低于被测源的相位噪声。(对于有源晶振而言，该点一般都满足)。

　　(2) 频谱仪应去多次测试平均值。

　　(3) 频谱仪的分辨率带宽RBW值应尽量小。

　　三、晶振电路设计

　　有源晶振EMC标准设计电路如下：

　　原理图注意事项：

　　(1) 有源晶振的电源引脚最好不要直接接电源，而是通过一个磁珠后接入，这可大大降低电源噪声对时钟输出频率的影响。晶振电源的去耦电容的匹配也很重要，去耦电容一般选3个，容值依次递减。

　　(2) 有源晶振的时钟输出端串联一个小电阻，作用是为了减少信号反射，以免造成信号反射引起的信号过冲。电阻R1是预留匹配设计，可根据实验情况进行阻值调整。其具体作用如下：

　　可以减少谐波。有源晶振的输出是方波，当阻抗严重不匹配的时候将引起谐波干扰。加上串联电阻后，该电阻与输入电容构成RC电路，将方波变成正弦波。

　　可以进行阻抗匹配，减少反射信号的干扰。

　　(3) C5是预留设计，可根据实验情况进行调整，它的作用是：与串联电阻组成RC滤波电路，减少时钟信号的过冲。

　　PCB设计注意事项：

　　(1) 耦合电容应尽量靠近晶振的电源引脚，位置摆放顺序：按电源流入方向，依容值从大到小依次摆放，容值最小的电容最靠近电源引脚。

　　(2) 晶振的外壳必须接地，可以晶振的向外辐射，也可以屏蔽外来信号对晶振的干扰。

　　(3) 晶振下面不要布线，保证完全铺地，同时在晶振的300mil范围内不要布线，这样可以防止晶振干扰其他布线、器件和层的性能。

　　(4) 时钟信号的走线应尽量短，线宽大一些，在布线长度和远离发热源上寻找平衡。

　　(5) 晶振不要放置在PCB板的边缘，在板卡设计时尤其注意该点。