Oggi diventa sempre più importante, con l'uso delle tecnologie digitali, avere dei generatori di clock che presentino bassissimi valori di Jitter. Il Jitter è responsabile degli errori di campionamento analogico-digitale. Tali errori diventano ancora più importanti quando si sottocampiona. Da prove sperimentali di laboratorio, si è verificato come all'aumentare del Jitter in vari generatori di clock , aumenti dopo la conversione il rumore di fondo digitale SNR ( Signal to Noise Ratio ) , e molto meno l'SFDR ( Spurious-Free Dinamic Range ) .
Sotto sono riportati i grafici della conversione AD di un tono ( 10 MHz. ) campionato con la stessa frequenza di clock generata da due basi dei tempi con Jitter diverso. Si vede come l' SNR del secondo grafico sia migliore di 5 Db rispetto al primo, pur essendo i due generatori di clock, strumenti di alta classe.
Per la misura del Jitter vengono utilizzati alcuni sistemi. I più importanti sono la misura del Phase Noise con appositi Analyzer ( es. Agilent E5052B o Symmetricom 5120A ) o la misura del TIE ( Time Interval Error ) tramite oscilloscopi High End con larghezze di banda sui 20 GHz. e tempi di campionamento dell'ordine dei 50 GS/s ( es. Tektronix MSO72004 ) .
Studi di LeCroy affermano che la misura con questa ultima tecnica è in grado di verificare in modo più preciso le diverse cause di Jitter sia a breve che a lungo termine, potendo inoltre misurare il Jitter totale Tj ( Period - Width - Delay ).
Siamo riusciti a realizzare un prototipo di generatore di Clock con caratteristiche interessanti in termini di Jitter. Con la misura ad istogrammi abbiamo confrontato il ns. generatore a 10 MHz. con il segnale ad alta stabilità ( < 5E-10 ) prodotto dal calibratore inserito in uno strumento Analizzatore Agilent atto alla misura di segnali a modulazione digitale. Tale strumento che esegue anche misure di BER presenta all'interno una base dei tempi ad alta stabilità con oscillatore termostabilizzato a quarzo. Gli oscillatori a quarzo sono caratterizzati da valori di phase noise tra i migliori in assoluto specialmente se confrontati ai PLL . Un oscillatore Wenzel Ultra Low Phase Noise può arrivare ad avere -176 dBc/Hz ad 1KHz. di offset dalla portante , che corrisponde ad un Jitter estremamente basso.
foto 1 - Jitter prodotto dal ns. generatore di Clock a 10MHz.
foto 2 - Jitter prodotto dal calibratore dell' Analizzatore digitale Agilent.
Pur avendo valori di Jitter piuttosto simili, i due clock, presentano invece in sostanza dei valori molto diversi, in quanto mentre nel primo caso la frequenza di oscillazione è 10 MHz. nel secondo è di 300 MHz. , ben 30 volte maggiore. Questo valore di frequenza più alto , presenta nella misura ad istogrammi, un errore sistemico di misura più basso. E' stato molto interessante valutare che il ns. generatore di clock a 10 MHz. , situazione di misura più svantaggiata , con Jitter residuo strumentale più elevato, non presenta , anche dopo una acquisizione di 10.000 campioni, alcun aumento del Jitter rispetto ai primi campioni. Ciò farebbe pensare che la maggior causa di Jitter misurato sia quella residua prodotta dallo strumento di misura.
foto 3 - Generatore di riferimento a 10 MHz. dell' Analizzatore Marconi
Questa foto mostra in modo molto evidente la differenza tra i vari clock. La foto-3 si riferisce ad un clock di 10 MHZ. , quindi alla stessa frequenza del ns. clock. Tale frequenza è generata dall' oscillatore di riferimento di un Analizzatore di Spettro Marconi ad alte prestazioni , che presenta una Phase Noise strumentale molto bassa ( permette misure con risoluzione RBW 3 Hz. e VBW 1 Hz. span 10Hz./Div ). Tra i due clock a 10 Mhz. ( foto 1 e foto 3 ) si può verificare l' enorme differenza di Jitter , a tutto vantaggio del nostro generatore.
Con l' inserimento di una linea di ritardo , per ottenere una misura più vicina all' evento di trigger , le prestazioni sono state decisamente migliori. Il Jitter del generatore del Marconi si è attestato a circa 13 pS. mentre il nostro clock ha prodotto un Jitter misurato di 800 fS. che , come accennato coincide con il Jitter proprio dello strumento di misura. ( foto sotto )
Generatore Marconi ( misura con linea di ritardo )
Ns. Clock ( misura con linea di ritardo )
Si tenga presente che per le misure si è scelta l' acquisizione a lungo termine, con molti campioni , in quanto a ns. giudizio più significativa per la verifica del Jitter.
Nella tecnica di misura ad istogrammi più è elevata la frequenza di misura, più è basso il tempo di salita e più alto il livello del segnale da misurare , più il residuo di Jitter sistemico è basso.
Cosa molto importante da tenere in considerazione, il ns. generatore non è termostatato ma ben isolato termicamente nelle parti sensibili con materiali a bassa conduzione termica, per cui la bontà delle presatazioni ( in termini di Jitter ) dipende esclusivamente dalla tipologia circuitale.
Il ns. clock presenta inoltre un tempo di salita molto più basso , che nella tecnica di misura ad istogrammi ne avvantaggia le prestazioni ( verificare il time/div di 10 ps. nella misura sul ns. clock contro i 150 ps. nella misura sul Marconi a pari frequenza di 10 MHz. ).
Per il nostro strumento Agilent il miglior risultato di misura strumentale, dichiarato dal Costruttore , è di 600 fs. a circa 2.5 GHz, e banda fino a 20 GHz. ( strumento non troppo moderno ).
Per quanto riguarda i clock prodotti dai calibratori dell' Agilent e del Marconi, si deve tener conto che i livelli sono quelli propri dei due generatori. Aumentando il livello dei due clock le misure di Jitter sui due calibratori sarebbero state sicuramente migliori.
Lo studio eseguito sul ns. generatore di clock ci ha permesso di analizzare quali siano i fattori che incidono maggiormente sulla generazione del Jitter negli oscillatori a quarzo ( tipologia circuitale, temperatura , alimentazione, vibrazione ecc. ecc. ) valutando i quali, siamo riusciti a realizzare un Generatore di Clock dalle caratteristiche molto elevate.
Sopra è riportato il grafico con i valori di Phase Noise di alcuni Generatori di Frequenza. Fonte Agilent.
Si può verificare come un oscillatore di riferimento a quarzo possieda le migliori caratteristiche.
