高精度時鐘發(fā)生器MAX945x的元件選擇和性能測試
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引言
MAX9450/MAX9451/MAX9452時鐘發(fā)生器1可以產(chǎn)生高精度時鐘，為SONET/SDH系統(tǒng)、千兆位以太網(wǎng)和3G基站的ADC/DAC提供定時。該器件還可以作為抖動抑制器使用，并且LVPECL、HSTL和LVDS三種不同輸出類型具有相同的內(nèi)核。芯片的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
圖1. MAX9450/MAX9451/MAX9452的結(jié)構(gòu)框圖
MAX945x內(nèi)集成的VCXO可以省去外部VCXO，提供高性價比的精密時鐘方案。VCXO頻率和調(diào)諧范圍由外部晶體的參數(shù)決定。VCXO的設(shè)計保證其可以配合15MHz到160MHz的寬頻率范圍晶體工作。與尋找恰當(dāng)頻率的VCXO相比，相同頻率的晶體更容易獲得，這為不同的應(yīng)用提供了靈活性。這些器件的分頻范圍非常廣泛，可以從1到32,768，這允許時鐘發(fā)生器的160MHz輸出同步至8kHz參考輸入。并且器件具有參考監(jiān)視功能，可以監(jiān)視輸入?yún)⒖紩r鐘的質(zhì)量。
為了正確使用這些芯片，設(shè)計者必須選擇適當(dāng)?shù)木w和環(huán)路濾波器元件。本應(yīng)用筆記指導(dǎo)如何選擇這些外部元件。同時提供了使用多種晶體時的性能測試結(jié)果。
晶體選擇
如圖1所示，VCXO的有源電路都集成在芯片內(nèi)部，外部只有晶體和環(huán)路濾波器的RC元件。按照上文提示，晶體頻率必須與所要求的輸出頻率相同。但是我們同樣需要考慮晶體的振動模式、切割類型、負(fù)載電容(CL)、頻率公差范圍、靜電容(C0)和動態(tài)電容(C1)。MAX945x使用的晶體必須是AT切割，基頻諧振模式，這意味著晶體需要具有較寬的調(diào)諧范圍和較小的溫度漂移。Maxim的應(yīng)用筆記2127，"Modeling of Quartz Crystal"，分析了晶體的等效電路(圖2)。
圖2. 晶體等效電路
VCXO的振蕩頻率由以下公式?jīng)Q定：
由這個等式，我們得到fP相對CL變化的微分解析：
由等式2可以發(fā)現(xiàn)，調(diào)諧靈敏度隨著C1值的增大、C0和CL的減小而增大。因此，為了使MAX945x時鐘發(fā)生器具有較寬的調(diào)諧范圍，需要選擇具有相同C1、C0和CL相對值的晶體。實驗證明，為了得到良好的調(diào)諧范圍，需要選擇C1 > 6fF, CL = 8pF, C0 2.5pF (這將由隨后的數(shù)據(jù)說明)。值得注意的是，如果CL的值小于8pF，將在調(diào)諧范圍的正段帶來損失。我們測試了KDS (www.kds.info/index_en.htm)2的DSX321S晶體和Fortiming (www.4timing.com)3的XHFF45晶體，測試結(jié)果將在下文描述。對于兩次晶體測試，PCB上使用的并聯(lián)電容數(shù)值在表1中給出。
環(huán)路濾波器元件選擇
MAX9450具有外部環(huán)路濾波器，可以為PLL環(huán)路濾波器的元件設(shè)置提供靈活性。選擇環(huán)路濾波器的帶寬有一個通用規(guī)則：為了抑制由參考輸入帶來的抖動，應(yīng)選擇較窄的PLL帶寬；為了抑制由VCXO帶來的抖動，應(yīng)使用較寬的PLL帶寬。因此，通常假設(shè)VCXO的抖動遠(yuǎn)小于參考輸入的抖動帶寬，然后再確定恰當(dāng)?shù)腜LL濾波器帶寬。在本例中PLL濾波器帶寬應(yīng)比參考輸入抖動帶寬窄。然而在實際應(yīng)用中，我們通常不知道參考輸入的抖動帶寬和VCXO的抖動程度。因此，最佳的環(huán)路濾波器元件經(jīng)常是通過了解元件如何影響PLL帶寬，再由實驗的方法來確定。可以看到開環(huán)單位增益帶寬ωo和PLL的3dB帶寬ω3db相同。這意味著ωo可以由PLL的抖動衰減需求來確定。下面的公式給出如何由已知的ωo來推來導(dǎo)元件選擇。ωo可以表達為：
這里IP是電荷泵電流，RP是環(huán)路濾波器電阻，N是分頻比，KVCO是VCXO的靈敏度。此等式成立的條件是RPCP1的時間常數(shù)滿足：
此外，該關(guān)系式確保了足夠的相位裕量來保持環(huán)路穩(wěn)定性。CP2的作用是濾除電流電荷泵開關(guān)時的紋波電壓。選擇CP2的通用規(guī)則是：
通過實例來計算元件的數(shù)值，將有助于理解。假設(shè)ω3db的期望值為5000rad/S，N = 4，IP = 80μA。KVCO的測量值平均為15kHz/V。由等式3可得：
選擇RP = 16kΩ。因此CP1的數(shù)值可由下式確定：
按照等式5，選擇CP1 = 66nF，CP2 = 6.6nF。為了得到指定的80μA電荷泵電流，利用MAX9450數(shù)據(jù)資料中第10頁的公式，1可得到RJ的數(shù)值為30kΩ。欲了解選擇環(huán)路濾波器元件的完整討論，請閱讀本文最后的參考文獻。4
測量結(jié)果
我們測試了KDS和Fortiming的晶體。表1顯示了晶體的調(diào)諧范圍和MAX9450的抖動性能。并沒有對每一個晶體都進行抖動測試；周期抖動用有效值和峰峰值表示。相位噪聲在12kHz到20MHz帶寬內(nèi)進行測量。表1. MAX9450的調(diào)諧范圍和抖動性能
| KDS Crystal DSX321S | ||||||
| Tuning Range Upper Limit | Tuning Range Lower Limit | Upper Tuning Range (PPM) | Upper Tuning Range (PPM) | Jitter (RMS/P-P) (ps) | Phase Noise 12kHz-20MHz (ps) | |
| 155.52MHz Crystal CL = 8pF, no shunt caps | ||||||
| Crystal 1 | 155.534 | 155.5052 | 90 | -96 | ||
| Crystal 2 | 155.5348 | 155.5044 | 95 | -101 | ||
| Crystal 3 | 155.5332 | 155.5036 | 84 | -106 | ||
| 155.52MHz Crystal CL = 6.5pF, no shunt caps | ||||||
| Crystal 1 | 155.5276 | 155.5 | 48 | -129 | ||
| Crystal 2 | 155.5248 | 155.496 | 30 | -155 | ||
| 122.88MHz Crystal CL = 8pF, no shunt caps | ||||||
| Crystal 1 | 122.8936 | 122.8692 | 110 | -88 | ||
| Crystal 2 | 122.8944 | 122.87 | 117 | -82 | 5.1/40 | |
| 155.52MHz Crystal CL = 16pF, with two 10pF shunt caps | ||||||
| Crystal 1 | 155.558 | 155.5276 | 244 | 48 | 2.75/20 | 0.65 |
| 155.52MHz Crystal CL = 14pF, with two 10pF shunt caps | ||||||
| Crystal 1 | 155.528 | 155.5168 | 51 | -20 | ||
| Fortiming Crystal XHFF45 | ||||||
| 155.52MHz Crystal CL = 16pF, with two 10pF shunt caps | ||||||
| Crystal 1 | 155.5564 | 155.5292 | 234 | 59 | 4.0/31 | 0.544 |
| Crystal 2 | 155.5568 | 155.5304 | 236 | 67 | 4.48/35 | 0.79 |
| Crystal 3 | 155.5569 | 155.5294 | 237 | 60 | 4.5/34 | 0.58 |
| 155.52MHz Crystal CL = 8pF, with two 5pF shunt caps | ||||||
| Crystal 1 | 155.5292 | 155.5096 | 59 | -67 | 2.8/20 | 0.414 |
圖3至圖5顯示了MAX9450在使用KDS和Fortiming晶體時的相位噪聲曲線。
圖3. KDS 155.52MHz晶體，16pF CL
圖4. KDS 155.52MHz晶體，8pF CL
圖5. Fortiming 155.52MHz晶體，8pF CL
總結(jié)
根據(jù)以上測量結(jié)果，可以得到如下的結(jié)論。- 為了得到適當(dāng)?shù)?、均勻的調(diào)諧范圍，晶體負(fù)載電容(CL)推薦值為8pF。最大
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