正確理解時(shí)鐘器件的抖動(dòng)性能

摘要

在選擇時(shí)鐘器件時(shí)，抖動(dòng)指標(biāo)是最重要的關(guān)鍵參數(shù)之一。但不同的時(shí)鐘器件，對(duì)抖動(dòng)的描述不盡相同，如不帶鎖相環(huán)的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器有附加抖動(dòng)指標(biāo)要求，而帶鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)零延時(shí)的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器則有周期抖動(dòng)和周期間抖動(dòng)指。同時(shí)，不同廠家對(duì)相關(guān)時(shí)鐘器件的抖動(dòng)指標(biāo)定義條件也不一樣，如在時(shí)鐘合成器條件下測(cè)試，還是在抖動(dòng)濾除條件下測(cè)試等。

為了正確理解時(shí)鐘相關(guān)器件的抖動(dòng)指標(biāo)規(guī)格，同時(shí)選擇抖動(dòng)性能適合系統(tǒng)應(yīng)用的時(shí)鐘解決方案，本文詳細(xì)介紹了如何理解兩種類(lèi)型時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器的抖動(dòng)參數(shù)，以及從鎖相環(huán)輸出噪聲特性理解時(shí)鐘器件作為合成器、抖動(dòng)濾除功能時(shí)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(jì)能力的提升，鎖相環(huán)芯片的產(chǎn)品形態(tài)越來(lái)越豐富，大大提升了系統(tǒng)時(shí)鐘方案設(shè)計(jì)的靈活性，同時(shí)降低了系統(tǒng)時(shí)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(wú)線通信、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、消費(fèi)電子、醫(yī)療設(shè)備和安防監(jiān)控等領(lǐng)域，可以實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)定時(shí)同步、時(shí)鐘產(chǎn)生、時(shí)鐘恢復(fù)和抖動(dòng)濾除、頻率合成和轉(zhuǎn)換、時(shí)鐘分發(fā)和驅(qū)動(dòng)等功能。

面對(duì)時(shí)鐘器件供應(yīng)商提供的種類(lèi)繁多的芯片，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇滿足性能規(guī)格，同時(shí)總體方案成本又具有競(jìng)爭(zhēng)力的時(shí)鐘電路，是電路設(shè)計(jì)者面臨的一個(gè)難題。由于時(shí)鐘器件的關(guān)鍵指標(biāo)是抖動(dòng)規(guī)格，高性能的抖動(dòng)指標(biāo)往往價(jià)格也要高很多，本文從分析時(shí)鐘器件的抖動(dòng)規(guī)格入手，詳細(xì)介紹了如何正確地理解在時(shí)鐘芯片器件手冊(cè)里該指標(biāo)的含義。基于抖動(dòng)指標(biāo)，介紹了德州儀器(TI)所提供的一系列時(shí)鐘器件及其抖動(dòng)性能，幫助電路設(shè)計(jì)者選擇最適合自己的時(shí)鐘方案。

2 時(shí)鐘抖動(dòng)和鎖相環(huán)噪聲模型

對(duì)時(shí)鐘器件而言，抖動(dòng)和鎖相環(huán)是兩個(gè)最基本的概念。

2.1 抖動(dòng)

如圖1 所示，時(shí)鐘抖動(dòng)可分為三種抖動(dòng)類(lèi)型：時(shí)間間隔誤差TIE(Time Interval Error)、周期抖動(dòng)PJ(Period Jitter)和相鄰周期間抖動(dòng)CCJ(Cycle to Cycle Jitter)。周期抖動(dòng)是多個(gè)周期內(nèi)對(duì)時(shí)鐘周期的變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與測(cè)量的結(jié)果，相鄰周期間抖動(dòng)是時(shí)鐘相鄰周期的周期差值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與測(cè)量的結(jié)果，由于這兩種抖動(dòng)是單個(gè)周期或相鄰周期的偏差，表征的是短期抖動(dòng)行為。時(shí)間間隔誤差又稱為相位抖動(dòng)(Phase Jitter)，是指信號(hào)在電平轉(zhuǎn)換時(shí)，其邊沿與理想時(shí)間位置的偏移量，通常表征的是長(zhǎng)期抖動(dòng)行為。

圖1 抖動(dòng)定義

從時(shí)鐘抖動(dòng)的來(lái)源分析，可以把抖動(dòng)歸納為兩大類(lèi)：確定性抖動(dòng)和隨機(jī)性抖動(dòng)。確定性抖動(dòng)是由可識(shí)別的各種干擾信號(hào)造成的，如EMI 輻射、電源噪聲、同步切換噪聲等等，這種抖動(dòng)幅度是有邊界的，而且可以通過(guò)電路設(shè)計(jì)優(yōu)化把干擾源消除或大幅降低，一般是不直接描述時(shí)鐘器件的抖動(dòng)性能。隨機(jī)抖動(dòng)是不能預(yù)測(cè)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(jī)噪聲是由多種不相關(guān)噪聲源疊加的， 根據(jù)統(tǒng)計(jì)理論可以用高斯分布來(lái)描述其特性，由此可以得到下面兩種對(duì)隨機(jī)抖動(dòng)幅度的表征：

1. 均值(RMS)抖動(dòng)，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(dòng)，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(dòng)，即高斯正態(tài)曲線上最小測(cè)量值到最大測(cè)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(shí)，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(duì)時(shí)鐘信號(hào)噪聲特性的頻域表征方式，表征時(shí)鐘信號(hào)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(hào)總功率的比值，符號(hào)為L(zhǎng)(f)，單位為dBc/Hz。圖2 是一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的頻譜特性，如果單頻信號(hào)非常穩(wěn)定的話，從頻譜上看其邊帶會(huì)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(dòng)和相位噪聲關(guān)系

通過(guò)前面分析，噪聲可以用時(shí)域的相位抖動(dòng)指標(biāo)和頻域的相位噪聲指標(biāo)來(lái)表征，但兩者反映了是同一個(gè)物理現(xiàn)象，故均值抖動(dòng)可以通過(guò)頻域的相位噪聲曲線計(jì)算獲得，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，頻域的相位噪聲與均值抖動(dòng)之間的關(guān)系如下式：

注：f1 和f2 為抖動(dòng)積分上、下限頻率，f0 為信號(hào)中心頻率。

下面通過(guò)一個(gè)具體例子說(shuō)明頻域的譜密度曲線如何轉(zhuǎn)換為時(shí)域的抖動(dòng)值。

圖3 是某個(gè)鎖相環(huán)時(shí)鐘器件輸出的相位噪聲，載波頻率Vo= 156.25MHz，為計(jì)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(lèi)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(dòng)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(shí)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(lái)自本地振蕩器VCXO/VCO。