正確理解時鐘器件的抖動性能

摘要

在選擇時鐘器件時，抖動指標(biāo)是最重要的關(guān)鍵參數(shù)之一。但不同的時鐘器件，對抖動的描述不盡相同，如不帶鎖相環(huán)的時鐘驅(qū)動器有附加抖動指標(biāo)要求，而帶鎖相環(huán)實現(xiàn)零延時的時鐘驅(qū)動器則有周期抖動和周期間抖動指。同時，不同廠家對相關(guān)時鐘器件的抖動指標(biāo)定義條件也不一樣，如在時鐘合成器條件下測試，還是在抖動濾除條件下測試等。

為了正確理解時鐘相關(guān)器件的抖動指標(biāo)規(guī)格，同時選擇抖動性能適合系統(tǒng)應(yīng)用的時鐘解決方案，本文詳細(xì)介紹了如何理解兩種類型時鐘驅(qū)動器的抖動參數(shù)，以及從鎖相環(huán)輸出噪聲特性理解時鐘器件作為合成器、抖動濾除功能時的噪聲特性。

1 概述

隨著半導(dǎo)體工藝速度和集成度的提高，以及模擬集成電路設(shè)計能力的提升，鎖相環(huán)芯片的產(chǎn)品形態(tài)越來越豐富，大大提升了系統(tǒng)時鐘方案設(shè)計的靈活性，同時降低了系統(tǒng)時鐘方案總成本。目前，鎖相環(huán)集成芯片已被廣泛應(yīng)用于無線通信、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、消費電子、醫(yī)療設(shè)備和安防監(jiān)控等領(lǐng)域，可以實現(xiàn)通信網(wǎng)定時同步、時鐘產(chǎn)生、時鐘恢復(fù)和抖動濾除、頻率合成和轉(zhuǎn)換、時鐘分發(fā)和驅(qū)動等功能。

面對時鐘器件供應(yīng)商提供的種類繁多的芯片，為系統(tǒng)設(shè)計選擇滿足性能規(guī)格，同時總體方案成本又具有競爭力的時鐘電路，是電路設(shè)計者面臨的一個難題。由于時鐘器件的關(guān)鍵指標(biāo)是抖動規(guī)格，高性能的抖動指標(biāo)往往價格也要高很多，本文從分析時鐘器件的抖動規(guī)格入手，詳細(xì)介紹了如何正確地理解在時鐘芯片器件手冊里該指標(biāo)的含義?；诙秳又笜?biāo)，介紹了德州儀器(TI)所提供的一系列時鐘器件及其抖動性能，幫助電路設(shè)計者選擇最適合自己的時鐘方案。

2 時鐘抖動和鎖相環(huán)噪聲模型

對時鐘器件而言，抖動和鎖相環(huán)是兩個最基本的概念。

2.1 抖動

如圖1 所示，時鐘抖動可分為三種抖動類型：時間間隔誤差TIE(Time Interval Error)、周期抖動PJ(Period Jitter)和相鄰周期間抖動CCJ(Cycle to Cycle Jitter)。周期抖動是多個周期內(nèi)對時鐘周期的變化進(jìn)行統(tǒng)計與測量的結(jié)果，相鄰周期間抖動是時鐘相鄰周期的周期差值進(jìn)行統(tǒng)計與測量的結(jié)果，由于這兩種抖動是單個周期或相鄰周期的偏差，表征的是短期抖動行為。時間間隔誤差又稱為相位抖動(Phase Jitter)，是指信號在電平轉(zhuǎn)換時，其邊沿與理想時間位置的偏移量，通常表征的是長期抖動行為。

圖1 抖動定義

從時鐘抖動的來源分析，可以把抖動歸納為兩大類：確定性抖動和隨機性抖動。確定性抖動是由可識別的各種干擾信號造成的，如EMI 輻射、電源噪聲、同步切換噪聲等等，這種抖動幅度是有邊界的，而且可以通過電路設(shè)計優(yōu)化把干擾源消除或大幅降低，一般是不直接描述時鐘器件的抖動性能。隨機抖動是不能預(yù)測的噪聲源，如熱噪聲(也稱為Johnson 噪聲或散粒噪聲)，以及半導(dǎo)體加工工藝的局限性等。由于隨機噪聲是由多種不相關(guān)噪聲源疊加的， 根據(jù)統(tǒng)計理論可以用高斯分布來描述其特性，由此可以得到下面兩種對隨機抖動幅度的表征：

1. 均值(RMS)抖動，即高斯分布一階標(biāo)準(zhǔn)偏差值。一般采用在規(guī)定的濾波器帶寬內(nèi)的RMS 抖動，如光通信領(lǐng)域常用的積分帶寬是(12KHz ~ 20MHz)。

2. 峰峰值(Peak-to-peak)抖動，即高斯正態(tài)曲線上最小測量值到最大測量值之間的差值。根據(jù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)誤碼率要求的不同，最小和最大值的取值是不一樣的，如誤碼率為 時，峰峰值約等于14 倍的標(biāo)準(zhǔn)偏差值，即為 。

2.2 相位噪聲

相位噪聲是對時鐘信號噪聲特性的頻域表征方式，表征時鐘信號頻率的穩(wěn)定度，是指偏離載波頻率(f-fc)處1Hz 帶寬內(nèi)噪聲功率與載波信號總功率的比值，符號為L(f)，單位為dBc/Hz。圖2 是一個時鐘信號的頻譜特性，如果單頻信號非常穩(wěn)定的話，從頻譜上看其邊帶會隨著遠(yuǎn)離主頻的位置逐漸降低，在偏離載波(f-fc)處，相位噪聲約等于載波頻率處曲線的高度與f 處曲線的高度之差，即圖中L(f-fc)

圖2 相位噪聲定義

2.3 均值抖動和相位噪聲關(guān)系

通過前面分析，噪聲可以用時域的相位抖動指標(biāo)和頻域的相位噪聲指標(biāo)來表征，但兩者反映了是同一個物理現(xiàn)象，故均值抖動可以通過頻域的相位噪聲曲線計算獲得，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，頻域的相位噪聲與均值抖動之間的關(guān)系如下式：

注：f1 和f2 為抖動積分上、下限頻率，f0 為信號中心頻率。

下面通過一個具體例子說明頻域的譜密度曲線如何轉(zhuǎn)換為時域的抖動值。

圖3 是某個鎖相環(huán)時鐘器件輸出的相位噪聲，載波頻率Vo= 156.25MHz，為計算方便，把相位噪聲曲線近似為圖中紅色曲線段，AB 和CD 段為常數(shù) dBc/Hz，BC 段20dBc 衰減，冪率近似為 的噪聲類型。

圖3 相位噪聲曲線

按照式子(1)關(guān)于相位噪聲與均值抖動間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，去積分頻率取值范圍為12KHz ~ 20MHz，則：

2.4 鎖相環(huán)噪聲模型

圖4 是典型的鎖相環(huán)輸出噪聲分布特性曲線。在鎖相環(huán)環(huán)路帶寬內(nèi)，主要噪聲成份是參考時鐘噪聲、分頻器噪聲、PFD 和電荷泵噪聲等;在環(huán)路帶寬外，主要噪聲源來自本地振蕩器VCXO/VCO。