Nederlands
Menu

Jitter versus fasenruis: grootheid, eenheden, meting en omrekening

Jitter en fasenruis beschrijven dezelfde fluctuaties van een klok of oscillator vanuit een ander gezichtspunt. Jitter beschrijft in het tijddomein hoeveel het tijdstip van elke flank afwijkt van het ideaal, uitgedrukt in seconden (ps of fs). Fasenruis beschrijft in het frequentiedomein de grootte van de ruis op een bepaalde frequentieafstand van de draaggolf, als verhouding ten opzichte van de draaggolf in dBc/Hz. Door de fasenruis over een frequentiebereik te integreren, kan ze worden omgerekend naar RMS-jitter; omdat de waarde afhangt van het integratiebereik, wordt dat bereik altijd vermeld.

KenmerkJitterFasenruis
DomeinTijddomeinFrequentiedomein
Weergegeven grootheidAfwijking van het tijdstip van een flank ten opzichte van het ideale tijdstipVerhouding van ruisvermogen per 1 Hz tot draaggolfvermogen, per offsetfrequentie ten opzichte van de draaggolf (enkelzijband)
EenheidSeconden (ps, fs) of UI (fractie van één bittijd)dBc/Hz (samen met de offsetfrequentie vermeld)
Typische kengetallenPeriodejitter, cycle-to-cycle-jitter, TIE (time interval error). RMS- en piek-piekwaardenWaarden of curves per offset, bijv. −140 dBc/Hz bij 1 MHz offset
Belangrijkste meetapparatuurOscilloscoop, tijdsintervalanalysator, bitfoutmeterFasenruisanalysator, spectrumanalysator met functie voor fasenruismeting
Behandeling van random en deterministischRandom jitter als RMS-waarde en deterministische jitter als piek-piekwaarde apart behandeld; de totale jitter wordt bepaald uit de beoogde foutkansRandom componenten verschijnen als een vloeiende curve, periodieke componenten als lijnen bij specifieke frequenties (spurs)
Onderlinge omrekeningUit de jitterwaarde alleen is de vorm van de fasenruis per frequentie niet af te leidenDoor te integreren over offset f1–f2 is om te rekenen: RMS-jitter = √(2∫10^(L(f)/10) df) ÷ (2π f0)
Invloed van het bereikDe waarde hangt af van de bandbreedte van het meetapparaat en van het aantal perioden dat wordt bekekenDe omgerekende RMS-jitter hangt af van het integratiebereik (bijv. 12 kHz–20 MHz)
Wat het laat zienEen grootheid die direct doorwerkt in de timingmarge (setup, horizontale opening van het oogdiagram)Bij welke frequenties de fluctuaties groot zijn. Aanwijzingen voor de lusbandbreedte van een PLL en voor het opsporen van ruisbronnen
Belangrijkste toepassingsgebiedenTiminganalyse van digitale schakelingen, snelle seriële communicatieOscillatoren voor draadloze toepassingen, ontwerp van PLL's en VCO's, klokken voor snelle ADC's

De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.

Wanneer welke variant?

Jitter
Wanneer je de timingmarge direct wilt kennen. Klokonzekerheid in statische timinganalyse, beoordeling van oogdiagram en foutkans bij snelle seriële communicatie enz.
Fasenruis
Wanneer je wilt weten van welke frequenties de ruis afkomstig is. Beoordeling van lokale oscillatoren in draadloze systemen, ontwerp van de lusbandbreedte van een PLL, vergelijking van oscillatoren enz.
Combinatie
Specificaties van klokbronnen geven vaak zowel de fasenruiscurve als de RMS-jitter omgerekend over een vast integratiebereik. Bij klokken voor snelle ADC's wordt de bovengrens van de SNR bepaald door −20 log₁₀(2π f tj), dus wordt die geschat met de jitter berekend uit de fasenruis.

Veelgestelde vragen

Hoe bereken je RMS-jitter uit fasenruis?

Zet de fasenruis L(f) in dBc/Hz om naar een lineaire waarde, integreer over het gekozen offsetbereik en vermenigvuldig met 2; dat geeft het kwadratisch gemiddelde van de fasefluctuatie (rad²). Deel de wortel daarvan door 2π f0 (f0 is de draaggolffrequentie) en je hebt de RMS-jitter. Bijvoorbeeld: bij een klok van 100 MHz met een fasefluctuatie van 1 mrad (RMS) is de jitter ongeveer 1,6 ps.

Waarom wordt het integratiebereik expliciet vermeld?

Omdat het totaal van de fasenruis afhangt van het offsetbereik waarover wordt geïntegreerd, en daarmee ook de omgerekende RMS-jitter. Zonder vermelding van het bereik kun je niet correct vergelijken met de waarde van een andere oscillator. In klokspecificaties wordt vaak een vast bereik zoals 12 kHz–20 MHz gebruikt.

Waarom verschilt de jitterwaarde van dezelfde klok per document?

Omdat de definitie kan verschillen (periodejitter, cycle-to-cycle-jitter, TIE), RMS- en piek-piekwaarden door elkaar kunnen worden gebruikt, of de meetbandbreedte anders is. De piek-piekwaarde van random jitter wordt groter naarmate de observatietijd langer is, dus wordt die samen met de foutkans vermeld.

Moet ik naar jitter of naar fasenruis kijken?

Voor de timingmarge van digitale schakelingen en snelle seriële communicatie is jitter geschikt; om bij het ontwerp van draadloze oscillatoren of PLL's de ruisbronnen en de eigenschappen per frequentie te kennen, is fasenruis geschikt. Ze beschrijven dezelfde fluctuaties vanuit een ander gezichtspunt, dus kies je afhankelijk van het doel.

Test uw begrip

Waarom vormt jitter (tijdsvariatie) van de sampleklok een probleem bij de AD-conversie van signalen met hoge frequentie?

  1. AOmdat de klok stopt
  2. BOmdat alleen bij gelijkspanningssignalen fouten optreden
  3. COmdat een kleine afwijking in het samplemoment een grotere spanningsfout geeft naarmate het signaal sneller verandert
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: C. Omdat een kleine afwijking in het samplemoment een grotere spanningsfout geeft naarmate het signaal sneller verandert

Als het samplemoment Δt afwijkt, wordt de signaalverandering in die tijd een fout. De helling van een sinus is evenredig met de frequentie, zodat de door jitter bepaalde bovengrens van de SNR SNR = −20 log₁₀(2πf·tj) bedraagt. Om bij een signaal van 100 MHz 70 dB te halen, moet de jitter bijvoorbeeld circa 0,5 ps of minder zijn. Bij snelle ADC's met hoge resolutie en bij draadloze ontvangers hangen de prestaties daarom af van het ontwerp van een klokbron met weinig fasevuil (phase noise).

Bij het instellen van klokonzekerheid wordt periodejitter vaak wel meegenomen voor setup, maar niet voor hold. Wat is de juiste reden daarvoor?

  1. AOmdat de holdcontrole alleen op de dalende klokflank wordt uitgevoerd
  2. BOmdat jitter alleen bij hoge frequenties optreedt en bij de holdanalyse de frequentie wordt verlaagd
  3. COmdat hold met één en dezelfde klokflank vergelijkt, zodat schommelingen in het tijdstip van die flank even sterk doorwerken op de verzendende en de ontvangende kant en elkaar opheffen
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: C. Omdat hold met één en dezelfde klokflank vergelijkt, zodat schommelingen in het tijdstip van die flank even sterk doorwerken op de verzendende en de ontvangende kant en elkaar opheffen

Periodejitter is de schommeling van het interval tussen een flank en de volgende flank. Setup wordt beoordeeld over het interval tussen de verzendende flank en de volgende flank, dus bij een periode van 1,0 ns met ±30 ps jitter neemt de beschikbare tijd in het slechtste geval af tot 0,97 ns. Bij hold worden verzenden en overnemen op dezelfde flank vergeleken; of die flank nu vroeg of laat is, beide bewegen samen en het effect van de jitter heft zich vrijwel op. De geschatte skew van vóór de klokboom wordt echter wel in de onzekerheid voor hold opgenomen.

Welke uitspraak over het oogpatroon (oogdiagram) om de kwaliteit van snelle seriële signalen te beoordelen, is juist?

  1. AHet is een weergave van over elkaar getekende golfvormen van veel bits, waarbij het „oog” in het midden zowel verticaal als horizontaal groter open is naarmate de marge groter is
  2. BHoe meer het oog gesloten is, hoe beter de signaalkwaliteit
  3. CHet is een diagram om de gezondheid van menselijke ogen te onderzoeken
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. Het is een weergave van over elkaar getekende golfvormen van veel bits, waarbij het „oog” in het midden zowel verticaal als horizontaal groter open is naarmate de marge groter is

Een oogpatroon ontstaat door de golfvorm per bitperiode uit te knippen en over elkaar te tekenen. Tussen de golfvormen van 0 en 1 ontstaat een ooggevormde opening, waarvan de hoogte de marge ten opzichte van ruis aangeeft en de breedte de marge ten opzichte van timingafwijking (jitter). Bij groot verlies, reflecties of jitter van de transmissielijn sluit het oog. Omdat het ontvangstcircuit de bits in het midden van dit oog bepaalt, is de openheid van het oog een maat voor de kwaliteit.

  1. Welke instelling in de timingbeperkingen (SDC) geeft de marge aan die als klokjitter en verwachte skew van de klokperiode wordt afgetrokken?
  2. Welke schakeling maakt een klok met een frequentie die bijvoorbeeld een geheel veelvoud van een referentieklok is, terwijl de fase op de referentieklok wordt afgestemd?

Oefenvragen over Analoge en elektronische schakelingen

Belangrijke termen uitgelegd

Jitter
Kleine tijdelijke afwijking van de timing van klok- of signaalflanken ten opzichte van het ideale moment. Bij het bemonsteren van signalen met hoge frequentie veroorzaakt zelfs weinig jitter een grote spanningsfout.
PLL (phase-locked loop)
Schakeling die het faseverschil met een referentieklok detecteert en een oscillator bijstuurt, zodat een klok met een frequentie die een (bijvoorbeeld geheel) veelvoud is van de referentie, wordt gegenereerd. Wordt gebruikt voor klokgeneratie van CPU's en frequentiesynthese in draadloze systemen.
Oogpatroon (eye diagram)
Diagram waarin de golfvormen van veel bits per periode over elkaar heen zijn getekend. De hoogte van het oog in het midden geeft de marge tegen ruis weer en de breedte de marge tegen timingafwijking.
Thermische ruis (Johnson-ruis)
Ruis die ontstaat door de thermische beweging van elektronen in een weerstand. Het kwadratisch gemiddelde van de spanning is 4kTRΔf en is evenredig met temperatuur, weerstand en bandbreedte.
1/f-ruis (flickerruis)
Ruis die toeneemt naarmate de frequentie lager is. In MOSFET's ontstaat die doordat traps aan het grensvlak met de gate-isolator ladingdragers vangen en loslaten; een probleem in laagfrequente analoge schakelingen.

Verwante vergelijkingen