正確理解時(shí)鐘器件的抖動性能

圖10 CDCE706 時(shí)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(shí)鐘發(fā)生器，如均值抖動指標(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(shí)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(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)可以采用抖動濾除器件對輸入時(shí)鐘信號進(jìn)行噪聲濾除，實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步的基礎(chǔ)上輸出低抖動的時(shí)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(shí)現(xiàn)對輸入時(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(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)鐘抖動性能的時(shí)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(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)抖動濾除的功能，圖14 是CDCM6208 作為抖動濾除功能應(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(shí)相應(yīng)的相位噪聲性能

4.3 超高性能抖動濾除時(shí)鐘器件

為了滿足無線通信領(lǐng)域高集成度、超低抖動、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 超低抖動輸出的雙級串行級聯(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 系列雙級級聯(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，第一級鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)抖動濾除功能，實(shí)現(xiàn)輸出時(shí)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(shí)現(xiàn)時(shí)鐘倍頻功能，可以實(shí)現(xiàn)超低抖動的遠(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(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)動器，多種類型的時(shí)鐘合成器、抖動濾除器件，以及超高抖動性能的時(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。