Was ist der Unterschied zwischen Taktjitter und Phasenrauschen?

Die seriellen Datenübertragungsraten steigen weiter an, da immer mehr Daten in immer kürzerer Zeit benötigt werden. Mit steigenden Datenraten nehmen die Timing-Spannen ab, was die Entwickler dazu zwingt, die Unsicherheit im Datentiming zu minimieren. Die Angabe von Unsicherheiten beim Timing von Daten kann eine von zwei Formen annehmen, je nachdem, aus welcher Disziplin Sie kommen. Die beiden Parameter sind Jitter und Phasenrauschen.

Phasenrauschen und Jitter geben beide die zeitliche Stabilität eines Signals an und sind miteinander verwandt. Im Wesentlichen sind dies zwei Möglichkeiten, die Timing-Unsicherheit in einem Takt- oder Datenstrom zu charakterisieren. Phasenrauschen ist die Instabilität der Frequenz eines Signals, ausgedrückt im Frequenzbereich, während Jitter eine Variation der Signalwellenform im Zeitbereich ist.

Die Auswahl der zu berücksichtigenden Domäne ist in der Regel abhängig von der Anwendung: HF-Ingenieure werden in der Regel das Phasenrauschen betrachten, während Digitalentwickler eher den Jitter verwenden werden.

Definition und Messung von Jitter und Phasenrauschen

Jitter ist die Abweichung des Timings eines Signals von seinem Ideal und wird normalerweise mit einem Oszilloskop gemessen. Jitter kann verschiedene Formen annehmen, einschließlich Flanken- oder Phasenjitter (als Zeitintervallfehler bezeichnet), Periodenjitter oder Zyklus-zu-Zyklus-Jitter (die Differenz zwischen den Perioden benachbarter Zyklen). Jitter jeglicher Art kann in zwei Hauptkomponenten unterteilt werden: zufälliger oder deterministischer Jitter. Zufallsanteile sind in der Regel unbegrenzt, d. h. die Jitter-Spitzenwerte steigen mit zunehmender Zeit. Deterministische Jitter-Elemente sind begrenzt und nehmen nicht mit der Zeit zu. Jede dieser Hauptkomponenten beinhaltet mehrere Unterkomponenten, die den Rahmen dieses Artikels sprengen würden.

Das Phasenrauschen betrachtet die Signalleistung neben der Taktgrundschwingung im Frequenzbereich. Variationen in der Signalphase oder Frequenz zeigen sich in der Breite der Spektrallinie. Je größer die zeitliche Instabilität, desto breiter ist die Spektrallinie. Abbildung 1 zeigt uns ein Beispiel.

Abbildung 1: Ein Vergleich von Jitter (obere Kurve) und Phasenrauschen (untere Kurven) eines Taktsignals. (Bildquelle: DigiKey)

Die obere Kurve ist die Ansicht einer Flanke eines Taktsignals mit einer Frequenz von 100 Megahertz (MHz). Sie wird mit aktivierter Anzeigespeicherfunktion angezeigt, um einen Verlauf der Kantenpositionen zu erhalten. Die Taktflanke bewegt sich in der Zeit horizontal. Diese Variation ist der Taktflankenjitter. In diesem Fall gibt es einen Spitze-Spitze-Jitter von etwa 100 Pikosekunden (ps).

Die unteren Kurven zeigen horizontal erweiterte Ansichten auf das Frequenzspektrum des 100-MHz-Taktsignals mit Hilfe einer Leistungsdichteanzeige. Es gibt vier überlagerte Spektren, die die Unterschiede in der spektralen Breite für Flankenjitterwerte von 10, 50, 100 und 500 ps zeigen. Beachten Sie die Verbreiterung der Spektrallinie für zunehmende Jitterbeträge. Das Phasenrauschen wird im Allgemeinen mit einem Spektrumanalysator oder einem speziellen Phasenrauschprüfgerät gemessen und wird im Allgemeinen mit einem festen Frequenzversatz zur Taktgrundfrequenz dargestellt. Das Phasenrauschen kann z. B. als -96 Dezibel relativ zum Träger (dBc) bei 10 Kilohertz (kHz) Offset vom Träger angegeben werden.

Regulierung von Jitter und Phasenrauschen

Entwickler können Jitter und Phasenrauschen in Taktverteilungsketten durch den Einsatz von rauscharmen Taktgeneratoren wie dem ADF4001BCPZ von Analog Devices eingrenzen. Er bietet eine Bandbreite von 200 MHz und hat eine typische Phasenrausch-Spezifikation von -99 dB/Hz bei 1 kHz Offset von der Taktfrequenz (Abbildung 2).

Abbildung 2: Der ADF4001BCPZ von Analog Devices ist ein 200-MHz-Taktgenerator mit geringem Phasenrauschen und einer typischen Phasenrausch-Spezifikation von -99 dB/Hz bei 1 kHz Offset zur Taktfrequenz. (Bildquelle: Analog Devices)

Die Verteilung eines Taktes auf mehrere Geräte erfordert einen verzögerungsfreien Taktpuffer. Diese Komponenten garantieren nicht nur eine sehr geringe Zeitverzögerung, sondern reduzieren auch den Jitter durch ihre internen PLLs (Phasenregelkreise). Der verzögerungsfreie Puffer CY2308SXC-3T von Cypress Semiconductor hat beispielsweise zwei Bänke mit vier Ausgängen. Er arbeitet über einen Frequenzbereich von 10 bis 133 MHz und bietet einen typischen Zyklus-zu-Zyklus-Jitter von 60 ps am Ausgang (Abbildung 3).

Abbildung 3: Der verzögerungsfreie Puffer CY2308SXC-3T von Cypress Semiconductor in einem 16-SOIC-Gehäuse bietet einen typischen Zyklus-zu-Zyklus-Jitter von 60 ps am Ausgang. (Bildquelle: Cypress Semiconductor)

Fazit

Die Antwort auf die ursprüngliche Frage lautet also, dass Phasenrauschen und Jitter zwei verschiedene Ansichten derselben Information über die Takt- oder Daten-Timing-Stabilität sind, wobei Phasenrauschen die Ansicht im Frequenzbereich und Jitter die Interpretation im Zeitbereich ist. Eine gute Komponentenauswahl hilft, beides zu reduzieren.