正確理解時(shí)鐘器件的抖動(dòng)性能

圖10 CDCE706 時(shí)鐘合成器的輸出抖動(dòng)性能

在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，往往需要高抖動(dòng)性能的時(shí)鐘發(fā)生器，如均值抖動(dòng)指標(biāo)Jrms 1ps@(12KHz ~20MHz)，此時(shí)可采用高性能時(shí)鐘合成器。由于集成IC 芯片內(nèi)部的壓控振蕩器長(zhǎng)期穩(wěn)定性較差，相應(yīng)的近端噪聲比基于晶體的振蕩器抖動(dòng)性能要差，因此時(shí)鐘合成器的參考輸入信號(hào)可選擇來自晶振或壓控晶體振蕩器等具有較干凈近端噪聲的信號(hào)源，經(jīng)內(nèi)部高頻鎖相環(huán)電路實(shí)現(xiàn)頻率倍頻和頻率轉(zhuǎn)換功能，如德州儀器推出的高性能集成IC 鎖相環(huán)芯片CDCM6208、LMK03806 等，圖11 是CDCM6208 作為時(shí)鐘合成器時(shí)一個(gè)典型的輸出相位噪聲(輸入來自25MHz 晶體XTAL)，圖12 是LMK03806 典型的輸出相位噪聲，兩者都是目前抖動(dòng)性能指標(biāo)最優(yōu)秀的頻率合成器之一。

圖11 CDCM6208 輸出相位噪聲(時(shí)鐘合成器模式)

圖12 LMK03806 輸出相位噪聲

4.2 抖動(dòng)濾除器件(Jitter Cleaner)

當(dāng)輸入噪聲較大時(shí)，無法滿足系統(tǒng)時(shí)鐘的設(shè)計(jì)規(guī)格，此時(shí)可以采用抖動(dòng)濾除器件對(duì)輸入時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行噪聲濾除，實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步的基礎(chǔ)上輸出低抖動(dòng)的時(shí)鐘信號(hào)，以滿足系統(tǒng)抖動(dòng)的應(yīng)用要求。根據(jù)前面對(duì)鎖相環(huán)噪聲特性分析，抖動(dòng)濾除器為了實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入時(shí)鐘噪聲的濾除功能，必須要用較窄的環(huán)路帶寬，如幾十Hz 到幾百Hz。

對(duì)于抖動(dòng)濾除器件，多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景是借助本地高性能的壓控振蕩器，如VCXO、OCXO 等，可以把參考時(shí)鐘輸入的噪聲濾除干凈，鎖相環(huán)輸出優(yōu)越于參考時(shí)鐘抖動(dòng)性能的時(shí)鐘信號(hào)，如德州儀器的CDCE72010、CDCM7005、LMK02000 系列的產(chǎn)品器件，圖13 是CDCE72010 的一個(gè)典型相位噪聲圖。另外，一些集成鎖相環(huán)和高性能VCO 的時(shí)鐘器件，如前面提到的CDCM6208、LMK03806 等，也可以實(shí)現(xiàn)抖動(dòng)濾除的功能，圖14 是CDCM6208 作為抖動(dòng)濾除功能應(yīng)用時(shí)輸出時(shí)鐘的相位噪聲特性，可以看到其均值抖動(dòng)大概在1.2ps@(10KHz ~ 20MHz)，該測(cè)試用例所用到CDCM6208 的環(huán)路帶寬為60Hz。

圖13 CDCE72010+125MHz VCXO 輸出相位噪聲

圖14 CDCM6208 作為抖動(dòng)濾除應(yīng)用時(shí)相應(yīng)的相位噪聲性能

4.3 超高性能抖動(dòng)濾除時(shí)鐘器件

為了滿足無線通信領(lǐng)域高集成度、超低抖動(dòng)、低功耗的時(shí)鐘器件應(yīng)用需求，德州儀器是業(yè)界第一家推出了實(shí)現(xiàn)300fs 超低抖動(dòng)輸出的雙級(jí)串行級(jí)聯(lián)鎖相環(huán)時(shí)鐘器件，如 LMK04000 系列、LMK04800 系列和LMK04906 等，即可實(shí)現(xiàn)抖動(dòng)濾除功能，也可實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘頻率合成，被廣泛應(yīng)用于無線基站、微波通信和100GE 數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域。

圖15 LMK04XXX 系列雙級(jí)級(jí)聯(lián)時(shí)鐘器件方框圖

LMK04XXX 系列器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖15 所示，包括PLL1、PLL2、集成VCO2、各個(gè)時(shí)鐘路徑的分頻電路、輸出時(shí)延調(diào)整和輸出分發(fā)電路等，其中，第一級(jí)鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)抖動(dòng)濾除功能，實(shí)現(xiàn)輸出時(shí)鐘具有低抖動(dòng)的近端噪聲，而第二級(jí)鎖相環(huán)利用內(nèi)部集成高性能LC 振蕩器實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘倍頻功能，可以實(shí)現(xiàn)超低抖動(dòng)的遠(yuǎn)端噪聲，從而獲得整個(gè)頻段范圍都具有極其優(yōu)秀的噪聲性能。圖16 是LMK04906 時(shí)鐘器件的一個(gè)相位噪聲例子，可以實(shí)現(xiàn)~100fs 級(jí)別的抖動(dòng)輸出。

圖16 LMK04906 + VCXO 輸出相位噪聲

5總結(jié)

不管在高速有線通信系統(tǒng)、3G/4G 的無線網(wǎng)絡(luò)，還是在工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)、醫(yī)療系統(tǒng)以及終端消費(fèi)產(chǎn)品和計(jì)算機(jī)產(chǎn)品應(yīng)用中，時(shí)鐘器件都是硬件電路設(shè)計(jì)中不可或缺的部件，而且時(shí)鐘抖動(dòng)性能往往是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，因此正確理解和選擇適合系統(tǒng)應(yīng)用的時(shí)鐘解決方案是硬件電路設(shè)計(jì)的重要組成部分。本文詳細(xì)介紹了各類時(shí)鐘器件的抖動(dòng)性能，旨在協(xié)助電路設(shè)計(jì)者甄別各類時(shí)鐘器件的抖動(dòng)性能規(guī)格，同時(shí)理解在不同應(yīng)用條件下的時(shí)鐘器件抖動(dòng)規(guī)格差異，選擇適合系統(tǒng)應(yīng)用的時(shí)鐘解決方案。德州儀器作為目前業(yè)界最廣泛時(shí)鐘解決方案的供應(yīng)商之一，時(shí)鐘產(chǎn)品包括單端、差分、零延時(shí)等時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器，多種類型的時(shí)鐘合成器、抖動(dòng)濾除器件，以及超高抖動(dòng)性能的時(shí)鐘器件，可以滿足大多數(shù)時(shí)鐘解決方案的設(shè)計(jì)需求。