正確理解時鐘器件的抖動性能

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(即噪聲低噪)，如下圖7所示，附加抖動被定義為：

為了準確表征驅(qū)動器本身引入的抖動指標，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 器件的一個測試例子，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。

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 標準里對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。.