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，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。

圖4 典型鎖相環(huán)輸出噪聲分布

根據(jù)鎖相環(huán)輸出的噪聲分布特性，對于基于鎖相環(huán)電路設(shè)計的高抖動性能時鐘器件，必須正確評估各部分電路的噪聲特性，合理設(shè)計鎖相環(huán)環(huán)路帶寬WBW，如設(shè)計電路使得環(huán)路帶寬WBW 在兩噪聲源相位噪聲交叉點對應(yīng)的頻率附近，保證此時環(huán)路輸出的相位噪聲最小，圖5 在輸入?yún)⒖紩r鐘REF 有較大噪聲條件下，環(huán)路帶寬為~10Hz 鎖相環(huán)輸出噪聲性能，圖6 在參考時鐘REF 近端噪聲比較干凈，環(huán)路帶寬設(shè)為100KHz 附近時的輸出噪聲，兩者在對應(yīng)的應(yīng)用條件下都可以得到較佳的時鐘抖動性能。

圖5 環(huán)路帶寬為~10Hz 鎖相環(huán)輸出噪聲

圖6 環(huán)路帶寬為100KHz 鎖相環(huán)輸出噪聲

3 時鐘驅(qū)動器

時鐘驅(qū)動器主要功能為時鐘信號分發(fā)和增強驅(qū)動能力，可分為兩大類：不帶鎖相環(huán)的高性能時鐘驅(qū)動器，和帶鎖相環(huán)實現(xiàn)零延遲等功能的時鐘驅(qū)動器。

3.1 不帶鎖相環(huán)的時鐘驅(qū)動器

對于不帶鎖相環(huán)的時鐘驅(qū)動器，表征抖動性能通常采用的是附加抖動指標(biāo)(即噪聲低噪)，如下圖7所示，附加抖動被定義為：

為了準(zhǔn)確表征驅(qū)動器本身引入的抖動指標(biāo)，必須要求輸入均值抖動小于器件本身的附加抖動，如圖8是基于CDCLVC1310 器件的一個測試?yán)?，從圖中可以看出若輸入信號為100MHz 時，在1MHz 偏置頻率驅(qū)動器的低噪大概為-157dBc，在(12KHz ~ 20MHz)積分帶寬內(nèi)對應(yīng)的附加抖動指標(biāo)為：

圖8 附加抖動測試波形

此外，考慮在實際應(yīng)用系統(tǒng)中，輸入時鐘信號抖動性能往往比不帶鎖相環(huán)的時鐘驅(qū)動器附加抖動差，因此不同廠家采用系統(tǒng)級附加抖動來表征驅(qū)動器本身的附加抖動，圖9 是一個例子，驅(qū)動器對輸出時鐘抖動貢獻的系統(tǒng)附加抖動為Jrms, add  183.762 182.12  24.64 fs 。此時，時鐘驅(qū)動器輸出總抖動主要由輸入信號的抖動成分決定，器件本身引入的附加抖動非常小，因此器件本身的附加抖動(或稱噪聲低噪)往往比系統(tǒng)級的附加抖動大一些，在選擇高性能時鐘驅(qū)動器時，要注意正確識別附加抖動和系統(tǒng)級附加抖動指標(biāo)。

圖9 系統(tǒng)級附加抖動測試

3.2 零延遲時鐘驅(qū)動器

零延遲時鐘驅(qū)動器主要應(yīng)用在集中定時并行通信系統(tǒng)或基于CPU 系統(tǒng)的并行總線通信中，如給DDR等供時鐘，要求輸入和輸出時鐘的相位同步，采用內(nèi)部集成PLL 的方法實現(xiàn)零延遲功能，此時器件輸出的抖動性能主要由器件本身決定。對于此類器件的應(yīng)用場景，必須要滿足并行數(shù)據(jù)通信的建立時間和保持時間規(guī)格，因此對時鐘驅(qū)動器表征抖動常用的指標(biāo)是相鄰周期間抖動和周期抖動，下面是CDCU2A877 器件的抖動規(guī)格，其中，考慮DDR 存儲器需要上、下邊沿采樣，故在JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)里對DDR 器件的半周期抖動也做了約束。

表1 CDCU2A877 器件手冊抖動規(guī)格

4 鎖相環(huán)時鐘器件

隨著半導(dǎo)體制造工藝的迅速發(fā)展，模擬半導(dǎo)體行業(yè)演進到130nm或65nm 節(jié)點時，意味模擬器件的集成度可以越來越高。目前，單芯片集成鎖相環(huán)時鐘IC 芯片，可以實現(xiàn)多鎖相環(huán)集成、多VCO 集成以及時鐘分布電路于一體，時鐘器件種類繁多，同時有些器件即可作為時鐘合成器應(yīng)用，也可用作抖動濾除功能實現(xiàn)高性能時鐘輸出。

4.1 時鐘合成器(CSU)

也稱為時鐘倍頻器(CMU)，對輸入信號進行倍頻以產(chǎn)生各種不同頻率的輸出，若參考時鐘為本地振蕩器或內(nèi)部集成時，也稱為時鐘發(fā)生器(Clock Generator)。根據(jù)應(yīng)用場景的不同，目前集成IC 內(nèi)部壓控振蕩器通常采用采用環(huán)形振蕩器和LC 振蕩器。環(huán)形振蕩器的調(diào)諧范圍更寬、功耗更低，而且芯片面交更小等，被大量應(yīng)用在對集成度要求較高的應(yīng)用場景，而LC 振蕩器具有品質(zhì)因數(shù)Q 值高的優(yōu)勢，噪聲性能較環(huán)形振蕩器好，被廣泛引用于對抖動指標(biāo)有較高要求的通信、醫(yī)療等領(lǐng)域。

當(dāng)時鐘器件作為時鐘合成器應(yīng)用時，環(huán)路帶寬通常是在100KHz~400KHz 左右，根據(jù)具體應(yīng)用場景，如輸入頻率和輸出頻率不同，環(huán)路帶寬和相位余量可有差異。因此，時鐘合成器輸出抖動主要由參考時鐘噪聲分布和本地振蕩器的噪聲分布共同決定。作為一顆在消費類終端產(chǎn)品應(yīng)用的時鐘合成器件，CDCE706 的輸出相位噪聲如圖8 所示，均值抖動為1.8ps@10KHz~5MHz，可滿足大多數(shù)消費類產(chǎn)品的應(yīng)用需求。.

圖10 CDCE706 時鐘合成器的輸出抖動性能

在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，往往需要高抖動性能的時鐘發(fā)生器，如均值抖動指標(biāo)Jrms < 1ps@(12KHz ~20MHz)，此時可采用高性能時鐘合成器。由于集成IC 芯片內(nèi)部的壓控振蕩器長期穩(wěn)定性較差，相應(yīng)的近端噪聲比基于晶體的振蕩器抖動性能要差，因此時鐘合成器的參考輸入信號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源，經(jīng)內(nèi)部高頻鎖相環(huán)電路實現(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 作為時鐘合成器時一個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(時鐘合成器模式)

圖12 LMK03806 輸出相位噪聲

4.2 抖動濾除器件(Jitter Cleaner)

當(dāng)輸入噪聲較大時，無法滿足系統(tǒng)時鐘的設(shè)計規(guī)格，此時可以采用抖動濾除器件對輸入時鐘信號進行噪聲濾除，實現(xiàn)時鐘同步的基礎(chǔ)上輸出低抖動的時鐘信號，以滿足系統(tǒng)抖動的應(yīng)用要求。根據(jù)前面對鎖相環(huán)噪聲特性分析，抖動濾除器為了實現(xiàn)對輸入時鐘噪聲的濾除功能，必須要用較窄的環(huán)路帶寬，如幾十Hz 到幾百Hz。

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

圖13 CDCE72010+125MHz VCXO 輸出相位噪聲

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

4.3 超高性能抖動濾除時鐘器件

為了滿足無線通信領(lǐng)域高集成度、超低抖動、低功耗的時鐘器件應(yīng)用需求，德州儀器是業(yè)界第一家推出了實現(xiàn)<300fs 超低抖動輸出的雙級串行級聯(lián)鎖相環(huán)時鐘器件，如 LMK04000 系列、LMK04800 系列和LMK04906 等，即可實現(xiàn)抖動濾除功能，也可實現(xiàn)時鐘頻率合成，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 系列雙級級聯(lián)時鐘器件方框圖

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

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)自動化控制系統(tǒng)、醫(yī)療系統(tǒng)以及終端消費產(chǎn)品和計算機產(chǎn)品應(yīng)用中，時鐘器件都是硬件電路設(shè)計中不可或缺的部件，而且時鐘抖動性能往往是整個系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)，因此正確理解和選擇適合系統(tǒng)應(yīng)用的時鐘解決方案是硬件電路設(shè)計的重要組成部分。本文詳細(xì)介紹了各類時鐘器件的抖動性能，旨在協(xié)助電路設(shè)計者甄別各類時鐘器件的抖動性能規(guī)格，同時理解在不同應(yīng)用條件下的時鐘器件抖動規(guī)格差異，選擇適合系統(tǒng)應(yīng)用的時鐘解決方案。德州儀器作為目前業(yè)界最廣泛時鐘解決方案的供應(yīng)商之一，時鐘產(chǎn)品包括單端、差分、零延時等時鐘驅(qū)動器，多種類型的時鐘合成器、抖動濾除器件，以及超高抖動性能的時鐘器件，可以滿足大多數(shù)時鐘解決方案的設(shè)計需求。