Фазовый шум кварцевого генератора на КМОП инверторе

[КРАМ]

Возникла проблема связанная с фазовым шумом в устройстве и я никак не могу найти что либо по поводу минимизации фазового шума в простейшем кварцевом генераторе на КМОП инверторе. Как влияет применение наносекундной логики (74AHC). Так же интересует влияние на фазовый шум прохождение сигнала через триггер Шмитта.

[Martian]

Честно скажу, что не особо понял о чем речь, но может, пальцем в небо удачно тыкну: может, такая усложненная схема (левая часть) в древнем компьютере решала именно эту проблему? Вряд ли это только для устойчивого запуска....

[КРАМ]

Сложные схемы это хорошо, но сейчас я хочу в рамках имеющейся схемы минимизировать фазовый шум. Слишком долго переразводить достаточно сложную 4-слойную схему, а нужно нащупать решение проблемы.
Тут дело не только в самом генераторе. В устройстве сигнал с генератора проходит двумя разными путями - один через передатчик, а второй на гетеродин смесителя приемника прямого преобразования. Смысл в детектировании сигнала отраженного от RFID метки - то есть самого сигнала передатчика модулированного меткой. Сам по себе фазовый шум не так страшен, если эти два канала идентичны по влиянию на этот шум. Но лучше его уменьшить в самом генераторе. Проблема выражается в слишком высоком уровне шума на выходе приемника при включении передатчика даже без модуляции в сторону метки, а значит и без модуляции от метки.

[vlasovzloy]

Возможно плавает порого или пмтание или кварц. Керамика возле выводов питания, замена микросхесы, замена кварца. Пробовал это все?

[КРАМ]

vlasovzloy писал(а):

Пробовал это все?

Всего в узле генератора работают две микросхемы 74AHC1G04. Одна в самом генераторе и одна в качестве буфера на выходе. КАЖДАЯ из этих микросхем не только блокирована ДВУМЯ керамиками типоразмера 0805 (0,1мкФ и 1мкФ), но и питается через "бусину". Питание 3.3 Вольта от лоудроп линейного стабилизатора. Кварц SMD3025. Менялся при изготовлении 2 образца платы. Замена кварца ни на что не влияет. Завтра попробую поиграть с резистором в обратной связи инвертора.
Шум генератора хорошо виден на анализаторе спектра в виде пьедестала у "палки" основной частоты. Уровень пьедестала -70 дБ. Уровень шумов вне пьедестала примерно -80 дБ.

[Martian]

запрос в гугле Phase noise in CMOS ring oscillators приводит ко многому интересному... и практически всему закрытому в журналах/библиотеках, где нужен доступ.
Из мельком прочитанной информации в открытых источниках видно два решения: изменение конструкции кварцевого резонатора (! ) или же его термостатирование. Последнее я не совсем понял, зачем? Исходя из тех причин его появления (которые также мелькают там и сям в текстах), термостатирование разве что сделает стабильным эту бяку...
Ща скачаю IEEE Journals of Solid-State Circuits посмотрю статьи "A study of phase noise in CMOS oscillators" и "Design of low-phase-noise CMOS ring oscillators"

[КРАМ]

Martian писал(а):

и практически всему закрытому в журналах/библиотеках, где нужен доступ.

О тож...
Могу открыть небольшой секрет. Дальность считывания RFID метки ридером ограничена как раз фазовым шумом.

[Martian]

Во как... спасибо, не знал. Полагал, что более банально - размерами антенн, мощностью... и т.д.

[КРАМ]

Martian писал(а):

размерами антенн, мощностью

При равном размере антенны и мощности. От мощности вообще зависит в последнюю очередь. Метка отвечает гораздо дальше, чем ее возможно принять. В основном дальность определяется коэффициентом связи антенны и метки. Ну и фазовым шумом, ограничивающим усиление в канале приемника.

[vlasovzloy]

А если как вариант триггер делитель на два и генератор в два раза частоту поднять?

[КРАМ]

vlasovzloy писал(а):

делитель на два и генератор в два раза частоту поднять?

Это в следующем варианте. Но я так думаю, что фазовые шумы это никак не изменит. Делать я это буду для того, чтобы отказаться от входного фильтра на нижнюю поднесущую.

[Martian]

Чтож, я докачал архив IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS и вытащил документ, который хотел посмотреть. Но вроде, единственное, что там можно почерпнуть - влияние КМОП-структур в генерации шума. Для меня слишком заумно, чтобы читать легко.

Жаль, что IEEE выложена лишь до 2006 года и лишь SSC... судя по статьям, там куча интересного.

Вложения

A General Theory of Phase Noise.pdf

(402.17 KiB) Скачиваний: 40

A Study of Phase Noise in CMOS Oscillators.pdf

(330.35 KiB) Скачиваний: 44

[Andrey_B]

КРАМ писал(а):

Кварц SMD3025.

Возможно с приемлемой переделкой пп получится посадить на место резонатора генератор 3225. В этом случае диапазон для подбора вариантов будет побольше.

[AlexS4]

я бы попробовал 30..300R последовательно кварцу. или заменить генераторную на 74lvc.
или убрать 1 из конденсаторов если они в виде компанентов. (значение частоты осталось неизвестным )

а пьедистал если покрупнее гладенький? мож всетаки какието циклические процессы замылыились?
или скажем помеха от какогонить 2Mhz бак преобразователя пососедству.

[КРАМ]

AlexS4 писал(а):

а пьедистал если покрупнее гладенький?

Спектр в эфире - петля в антенне:

Итого в районе поднесущей (она в центре экрана) уровень шума -78 дБ относительно несущей.

AlexS4 писал(а):

я бы попробовал 30..300R последовательно кварцу.

Уже стоит 680 Ом. Иначе не меандр.

[AlexS4]

а бог с ним что не меандр на генераторном, следующий ahc04 или ahc14 добавит фронтов же.
тогда наоборот попробовать улучшить добротность.


тш теоретически может ухудшить джиттер из-за большего к-ва порогов и их взаимозависимостей, но с чего им плавать кроме как от питания и температуры

мож каойто косяк с трассировкой питания и блокировочных? или дефект дорожек и типа индуктивность получилась дикая итп.

[КРАМ]

AlexS4 писал(а):

а бог с ним что не меандр на генераторном, следующий ahc04 или ahc14 добавит фронтов же.

С чего бы? Он есть и ничего не добавляет. Ни 04, ни 14.

AlexS4 писал(а):

тш теоретически может ухудшить джиттер из-за большего к-ва порогов и их взаимозависимостей

Сложный вопрос. Я разницу не обнаружил, хотя ТШ применяют как раз для отсечения амплитудных помех.

AlexS4 писал(а):

мож каойто косяк с трассировкой питания и блокировочных?

Не в этой жизни...
Напомню, я 10 лет разрабатывал СВЧ устройства на поликоре. Как правильно блокировать знаю уже 40 лет как.
Генераторная часть не просто блокирована, но парами керамик (0,1 и 1 мкФ) и питается через бусины. КАЖДЫЙ КОРПУС отдельно.
Это все собрано на 4-слойке с разводкой питания в отдельном слое (Inner2), то есть почти вплотную к сплошному полигону в Bottom.

[AlexS4]

С чего бы? Он есть и ничего не добавляет. Ни 04, ни 14.

тогда не понял о чем речь
я имел ввиду что наклон "фронтов" у синусоиды 13MHz это порядка 100nS, существенно больше чем если ее усилить (открытым всмысле оос) 74ahc04 , после которого они должны стать порядка 1nS.
а кварцу наверное спокойнее же будет на синусоиде.

500Hz этож ~40ppm, кажется многовато для фш.

[КРАМ]

AlexS4 писал(а):

а кварцу наверное спокойнее же будет на синусоиде.

А на кварце и есть почти синусоида. Речь о буфере после инвертора с кварцем. Такой же 04 и 14 Шмитт не дают на спектре видимой разницы.

[AlexS4]

да на буферном на выходе между 04 и 14 особой разныцы в спектре не будет, 04 усиливает(ускоряет фронт) достаточно. а вот на выходе генераторного инвертора работающего как линейный усилитель пытаться сразу сделать меандр - имхо совсем ненадо.

КРАМ писал(а):

Это все собрано на 4-слойке с разводкой питания в отдельном слое (Inner2), то есть почти вплотную к сплошному полигону в Bottom.

c другой стороны при таком раскладе конденсаторы и контакты чипа висят на доп "ногах" из металлизаций высотой в толщину платы, короче по индуктивности контура питания думаю может оказаться даже хуже чем у компактной однослойной разводки питания в верхнем слое. но конечно врядли причина в этом.

я б проверил с какимнить классическим hc49s c ножками. чисто для теста чтоб исключить что кварцы неудачные.