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高速システムの位相ノイズとジッターについて知っておくべきこと

システムはどんどん高速化しています。

彼らはしないといけない。

ブロードバンド インターネット ユーザーの急速な増加と、帯域幅を大量に消費するアプリケーションの使用の増加により、データ センターに対する要求が高まっています。急成長する自動運転車業界では、高速の車載ネットワークが必要です。これらは、データ スループット要件の増加のほんの数例です。

位相ノイズとジッターの仕様が重要な理由

これらの高速システムではタイミングが重要な役割を果たしており、位相ノイズとジッター (時間領域での対応物) が重要な発振器の仕様となります。位相ノイズとジッターはシステムのパフォーマンスに直接影響を与え、シリアル データ システムのビット誤り率 (BER) などのパラメーターに影響を与えます。ワイヤレスおよび GPS アプリケーションには、近接位相ノイズ (

注 1: SONET は DJ (確定的ジッタ) と RJ (ランダム ジッタ) を分離しません。すべてのジッターは RJ であると仮定します。

この表は、いくつかの高速シリアル データ通信プロトコルと、そのライン レートおよび一般的な基準クロック周波数を示しています。また、標準の積分範囲にわたる SiTime MEMS 発振器のシステム ジッター バジェットと積分位相ジッターも示されています。これらのシステム ジッター バジェットの数値と統合範囲は、 イーサネットの IEEE 802.3 などの管理標準に基づいています。管理規格で指定されている基準クロック ジッターは、通常、ガイドラインです。経験則として、クロックにはシステムの総ジッター バジェットの 1/3 ～ 1/5 が割り当てられます。ただし、スイッチ/PHY チップのベンダーはクロック ジッターの最終パラメータを設定します。

SiTime の MEMS 発振器のジッタ性能は過去 10 年間で劇的に向上し、ジッタ バジェット内で十分なヘッドルームを提供する堅牢なタイミング ソリューションが可能になりました。例として、100GbE の実装 (上の表に示されている) は、総帯域幅 103.125 Gb/秒に対して 25.78125 Gb/秒のデータ転送の 4 チャネルまたはレーンです。システム ジッター バジェットは 0.2 ps RMS です。 Elite Platform™ SiT936x 発振器は、10 MHz ～ 40 MHz の統合範囲にわたってシステムの予算より大幅に低い 0.061 ps ジッターでこのアプリケーションをサポートします。

SiTime のエリート プラットフォーム オシレーター

SiTime の Elite Platform 発振器は、高度に最適化された電圧制御発振器 (VCO) および低ノイズ、高分解能 TDC と組み合わせた DualMEMS™ 共振器を使用して、この位相ノイズ性能を実現します。以下のプロットは、 12 kHz ～ 20 MHz で統合された、わずか 233 フェムト秒 (fs) RMS の統合位相ジッター (IPJ) を備えた Elite Platform SiT9356 発振器の測定データを示しています。

Elite Platform 発振器の統合位相ジッター (IPJ) は、高速シリアル データ通信アプリケーションのシステム バジェットよりも大幅に低くなります。さらに、Elite オシレーターの性能は、衝撃、振動、急激な温度過渡現象、ノイズの多い電源などの一般的な環境ストレス要因にさらされるワイヤレスおよびシリアル データ システムでも維持されます。こうした現実世界の状況に影響されないことで、パフォーマンスが向上し、通信リンクの損失がなくなります。

以下のプロットは、振動を受けたときの MEMS SiT9365 発振器の位相ノイズをクラス最高の水晶発振器と比較したものです。ランダム振動の大きさは、15 Hz ～ 2 kHz の周波数帯域にわたって 7.5 g 二乗平均平方根 (RMS) でした。

SiT9365 発振器は、この振動周波数帯域で位相ノイズが約 10 倍低いことが実証されています。これは、鉄道の駅、地下鉄の駅、空港、その他振動が発生する多くの場所の近くに展開されている通信システムにとって大きな利点です。

高速システムでは、ノイズの多い電源もジッターの原因となる可能性があります。電源上のノイズは出力に結合することが多く、これにより性能が大幅に低下する可能性があります。以下の図は、ps/mV の単位で測定されたいくつかの差動発振器の電源ノイズ感度を示しています。数値が小さいほど、パフォーマンスが向上することを意味します。このテストでは、50 mV の正弦波が電圧供給ピンに AC 結合され、この 50 mV の正弦波から生じるジッターがクロック出力で測定されます。

SiT9365 発振器の性能は、他の水晶デバイスより 2 ～ 3 倍優れています。電源ノイズをフィルタリングするために、SiTime 発振器はチップ上に複数の電源レギュレータを統合し、最大 2 段階の電圧レギュレーションを備えています。

さらに何か情報はありますか?

Elite Platform アーキテクチャDualMEMS 温度検知テクノロジーについては、技術文書をダウンロードしてください。または、アプリケーション ノート「クロック ジッターの定義と測定方法」を参照してください。 高速システムで発生する一般的なタイプのジッターに関する情報と、ジッターを測定する最適な方法に関するガイドラインについては、こちらを参照してください。