摘要

在選擇時(shí)鐘器件時(shí)，抖動(dòng)指標是最重要的關(guān)鍵參數之一。但不同的時(shí)鐘器件，對抖動(dòng)的描述不盡相同，如不帶鎖相環(huán)的時(shí)鐘驅動(dòng)器有附加抖動(dòng)指標要求，而帶鎖相環(huán)實(shí)現零延時(shí)的時(shí)鐘驅動(dòng)器則有周期抖動(dòng)和周期間抖動(dòng)指。同時(shí)，不同廠(chǎng)家對相關(guān)時(shí)鐘器件的抖動(dòng)指標定義條件也不一樣，如在時(shí)鐘合成器條件下測試，還是在抖動(dòng)濾除條件下測試等。

為了正確理解時(shí)鐘相關(guān)器件的抖動(dòng)指標規格，同時(shí)選擇抖動(dòng)性能適合系統應用的時(shí)鐘解決方案，本文詳細介紹了如何理解兩種類(lèi)型時(shí)鐘驅動(dòng)器的抖動(dòng)參數，以及從鎖相環(huán)輸出噪聲特性理解時(shí)鐘器件作為合成器、抖動(dòng)濾除功能時(shí)的噪聲特性。

1、概述

隨著(zhù)半導體工藝速度和集成度的提高，以及模擬集成電路設計能力的提升，鎖相環(huán)芯片的產(chǎn)品形態(tài)越來(lái)越豐富，大大提升了系統時(shí)鐘方案設計的靈活性，同時(shí)降低了系統時(shí)鐘方案總成本。目前，鎖相環(huán)集成芯片已被廣泛應用于無(wú)線(xiàn)通信、數據網(wǎng)絡(luò )、消費電子、醫療設備和安防監控等領(lǐng)域，可以實(shí)現通信網(wǎng)定時(shí)同步、時(shí)鐘產(chǎn)生、時(shí)鐘恢復和抖動(dòng)濾除、頻率合成和轉換、時(shí)鐘分發(fā)和驅動(dòng)等功能。

面對時(shí)鐘器件供應商提供的種類(lèi)繁多的芯片，為系統設計選擇滿(mǎn)足性能規格，同時(shí)總體方案成本又具有競爭力的時(shí)鐘電路，是電路設計者面臨的一個(gè)難題。由于時(shí)鐘器件的關(guān)鍵指標是抖動(dòng)規格，高性能的抖動(dòng)指標往往價(jià)格也要高很多，本文從分析時(shí)鐘器件的抖動(dòng)規格入手，詳細介紹了如何正確地理解在時(shí)鐘芯片器件手冊里該指標的含義�；�于抖動(dòng)指標，介紹了德州儀器（TI）所提供的一系列時(shí)鐘器件及其抖動(dòng)性能，幫助電路設計者選擇最適合自己的時(shí)鐘方案。

2、時(shí)鐘抖動(dòng)和鎖相環(huán)噪聲模型

對時(shí)鐘器件而言，抖動(dòng)和鎖相環(huán)是兩個(gè)最基本的概念。

2.1、抖動(dòng)

如圖1 所示，時(shí)鐘抖動(dòng)可分為三種抖動(dòng)類(lèi)型：時(shí)間間隔誤差TIE（Time Interval Error）、周期抖動(dòng)PJ（Period Jitter）和相鄰周期間抖動(dòng)CCJ（Cycle to Cycle Jitter）。周期抖動(dòng)是多個(gè)周期內對時(shí)鐘周期的變化進(jìn)行統計與測量的結果，相鄰周期間抖動(dòng)是時(shí)鐘相鄰周期的周期差值進(jìn)行統計與測量的結果，由于這兩種抖動(dòng)是單個(gè)周期或相鄰周期的偏差，表征的是短期抖動(dòng)行為。時(shí)間間隔誤差又稱(chēng)為相位抖動(dòng)（Phase Jitter），是指信號在電平轉換時(shí)，其邊沿與理想時(shí)間位置的偏移量，通常表征的是長(cháng)期抖動(dòng)行為。

圖1 抖動(dòng)定義

從時(shí)鐘抖動(dòng)的來(lái)源分析，可以把抖動(dòng)歸納為兩大類(lèi)：確定性抖動(dòng)和隨機性抖動(dòng)。確定性抖動(dòng)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(dòng)幅度是有邊界的，而且可以通過(guò)電路設計優(yōu)化把干擾源消除或大幅降低，一般是不直接描述時(shí)鐘器件的抖動(dòng)性能。隨機抖動(dòng)是不能預測的噪聲源，如熱噪聲（也稱(chēng)為Johnson 噪聲或散粒噪聲），以及半導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， 根據統計理論可以用高斯分布來(lái)描述其特性，由此可以得到下面兩種對隨機抖動(dòng)幅度的表征：

1. 均值（RMS）抖動(dòng)，即高斯分布一階標準偏差值。一般采用在規定的濾波器帶寬內的RMS 抖動(dòng)，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(dòng)，即高斯正態(tài)曲線(xiàn)上最小測量值到最大測量值之間的差值。根據數據系統誤碼率要求的不同，最小和最大值的取值是不一樣的，如誤碼率為時(shí)，峰峰值約等于14 倍的標準偏差值，即為。

2.2、相位噪聲

相位噪聲是對時(shí)鐘信號噪聲特性的頻域表征方式，表征時(shí)鐘信號頻率的穩定度，是指偏離載波頻率（f-fc）處1Hz 帶寬內噪聲功率與載波信號總功率的比值，符號為L(cháng)(f)，單位為dBc/Hz。圖2 是一個(gè)時(shí)鐘信號的頻譜特性，如果單頻信號非常穩定的話(huà)，從頻譜上看其邊帶會(huì )隨著(zhù)遠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(xiàn)的高度與f 處曲線(xiàn)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(dòng)和相位噪聲關(guān)系

通過(guò)前面分析，噪聲可以用時(shí)域的相位抖動(dòng)指標和頻域的相位噪聲指標來(lái)表征，但兩者反映了是同一個(gè)物理現象，故均值抖動(dòng)可以通過(guò)頻域的相位噪聲曲線(xiàn)計算獲得，根據相關(guān)文獻，頻域的相位噪聲與均值抖動(dòng)之間的關(guān)系如下式：

                                （1）

注：f1 和f2 為抖動(dòng)積分上、下限頻率，f0 為信號中心頻率。

下面通過(guò)一個(gè)具體例子說(shuō)明頻域的譜密度曲線(xiàn)如何轉換為時(shí)域的抖動(dòng)值。

圖3 是某個(gè)鎖相環(huán)時(shí)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(xiàn)近似為圖中紅色曲線(xiàn)段，AB 和CD 段為常數 dBc/Hz，BC 段20dBc 衰減，冪率近似為 的噪聲類(lèi)型。

圖3 相位噪聲曲線(xiàn)

按照式子（1）關(guān)于相位噪聲與均值抖動(dòng)間的轉換關(guān)系，去積分頻率取值范圍為12KHz ~ 20MHz，則：

AB 段（12KHz ~ 200KHz）的近似等效均值抖動(dòng)

CD 段（2MHz ~ 20MHz）的近似等效均值抖動(dòng)

BC 段（200KHz ~ 2MHz）的近似等效均值抖動(dòng)

總的等效均值抖動(dòng)為：

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(xiàn)。在鎖相環(huán)環(huán)路帶寬內，主要噪聲成份是參考時(shí)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(lái)自本地振蕩器VCXO/VCO。

圖4 典型鎖相環(huán)輸出噪聲分布

根據鎖相環(huán)輸出的噪聲分布特性，對于基于鎖相環(huán)電路設計的高抖動(dòng)性能時(shí)鐘器件，必須正確評估各部分電路的噪聲特性，合理設計鎖相環(huán)環(huán)路帶寬WBW，如設計電路使得環(huán)路帶寬WBW 在兩噪聲源相位噪聲交叉點(diǎn)對應的頻率附近，保證此時(shí)環(huán)路輸出的相位噪聲最小，圖5 在輸入參考時(shí)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(shí)鐘REF 近端噪聲比較干凈，環(huán)路帶寬設為100KHz 附近時(shí)的輸出噪聲，兩者在對應的應用條件下都可以得到較佳的時(shí)鐘抖動(dòng)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(shí)鐘驅動(dòng)器

時(shí)鐘驅動(dòng)器主要功能為時(shí)鐘信號分發(fā)和增強驅動(dòng)能力，可分為兩大類(lèi)：不帶鎖相環(huán)的高性能時(shí)鐘驅動(dòng)器，和帶鎖相環(huán)實(shí)現零延遲等功能的時(shí)鐘驅動(dòng)器。

3.1、不帶鎖相環(huán)的時(shí)鐘驅動(dòng)器

對于不帶鎖相環(huán)的時(shí)鐘驅動(dòng)器，表征抖動(dòng)性能通常采用的是附加抖動(dòng)指標（即噪聲低噪），如下圖7所示，附加抖動(dòng)被定義為：

圖7 時(shí)鐘驅動(dòng)器噪聲分布

為了準確表征驅動(dòng)器本身引入的抖動(dòng)指標，必須要求輸入均值抖動(dòng)小于器件本身的附加抖動(dòng)，如圖8是基于CDCLVC1310 器件的一個(gè)測試例子，從圖中可以看出若輸入信號為100MHz 時(shí)，在1MHz 偏置頻率驅動(dòng)器的低噪大概為-157dBc，在（12KHz ~ 20MHz）積分帶寬內對應的附加抖動(dòng)指標為：

圖8 附加抖動(dòng)測試波形

此外，考慮在實(shí)際應用系統中，輸入時(shí)鐘信號抖動(dòng)性能往往比不帶鎖相環(huán)的時(shí)鐘驅動(dòng)器附加抖動(dòng)差，因此不同廠(chǎng)家采用系統級附加抖動(dòng)來(lái)表征驅動(dòng)器本身的附加抖動(dòng)，圖9 是一個(gè)例子，驅動(dòng)器對輸出時(shí)鐘抖動(dòng)貢獻的系統附加抖動(dòng)為Jrms, add  183.762 182.12  24.64 fs 。此時(shí)，時(shí)鐘驅動(dòng)器輸出總抖動(dòng)主要由輸入信號的抖動(dòng)成分決定，器件本身引入的附加抖動(dòng)非常小，因此器件本身的附加抖動(dòng)（或稱(chēng)噪聲低噪）往往比系統級的附加抖動(dòng)大一些，在選擇高性能時(shí)鐘驅動(dòng)器時(shí)，要注意正確識別附加抖動(dòng)和系統級附加抖動(dòng)指標。

圖9 系統級附加抖動(dòng)測試

3.2、零延遲時(shí)鐘驅動(dòng)器

零延遲時(shí)鐘驅動(dòng)器主要應用在集中定時(shí)并行通信系統或基于CPU 系統的并行總線(xiàn)通信中，如給DDR等供時(shí)鐘，要求輸入和輸出時(shí)鐘的相位同步，采用內部集成PLL 的方法實(shí)現零延遲功能，此時(shí)器件輸出的抖動(dòng)性能主要由器件本身決定。對于此類(lèi)器件的應用場(chǎng)景，必須要滿(mǎn)足并行數據通信的建立時(shí)間和保持時(shí)間規格，因此對時(shí)鐘驅動(dòng)器表征抖動(dòng)常用的指標是相鄰周期間抖動(dòng)和周期抖動(dòng)，下面是CDCU2A877 器件的抖動(dòng)規格，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(dòng)也做了約束。

表1 CDCU2A877 器件手冊抖動(dòng)規格

4、鎖相環(huán)時(shí)鐘器件

隨著(zhù)半導體制造工藝的迅速發(fā)展，模擬半導體行業(yè)演進(jìn)到130nm或65nm 節點(diǎn)時(shí)，意味模擬器件的集成度可以越來(lái)越高。目前，單芯片集成鎖相環(huán)時(shí)鐘IC 芯片，可以實(shí)現多鎖相環(huán)集成、多VCO 集成以及時(shí)鐘分布電路于一體，時(shí)鐘器件種類(lèi)繁多，同時(shí)有些器件即可作為時(shí)鐘合成器應用，也可用作抖動(dòng)濾除功能實(shí)現高性能時(shí)鐘輸出。

4.1、時(shí)鐘合成器（CSU）

也稱(chēng)為時(shí)鐘倍頻器（CMU），對輸入信號進(jìn)行倍頻以產(chǎn)生各種不同頻率的輸出，若參考時(shí)鐘為本地振蕩器或內部集成時(shí)，也稱(chēng)為時(shí)鐘發(fā)生器（Clock Generator）。根據應用場(chǎng)景的不同，目前集成IC 內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)形振蕩器的調諧范圍更寬、功耗更低，而且芯片面交更小等，被大量應用在對集成度要求較高的應用場(chǎng)景，而LC 振蕩器具有品質(zhì)因數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(dòng)指標有較高要求的通信、醫療等領(lǐng)域。

當時(shí)鐘器件作為時(shí)鐘合成器應用時(shí)，環(huán)路帶寬通常是在100KHz~400KHz 左右，根據具體應用場(chǎng)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(shí)鐘合成器輸出抖動(dòng)主要由參考時(shí)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(lèi)終端產(chǎn)品應用的時(shí)鐘合成器件，CDCE706 的輸出相位噪聲如圖8 所示，均值抖動(dòng)為1.8ps@10KHz~5MHz，可滿(mǎn)足大多數消費類(lèi)產(chǎn)品的應用需求。

圖10 CDCE706 時(shí)鐘合成器的輸出抖動(dòng)性能

在數據通信系統中，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 芯片內部的壓控振蕩器長(cháng)期穩定性較差，相應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可選擇來(lái)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)內部高頻鎖相環(huán)電路實(shí)現頻率倍頻和頻率轉換功能，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(lái)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）

當輸入噪聲較大時(shí)，無(wú)法滿(mǎn)足系統時(shí)鐘的設計規格，此時(shí)可以采用抖動(dòng)濾除器件對輸入時(shí)鐘信號進(jìn)行噪聲濾除，實(shí)現時(shí)鐘同步的基礎上輸出低抖動(dòng)的時(shí)鐘信號，以滿(mǎn)足系統抖動(dòng)的應用要求。根據前面對鎖相環(huán)噪聲特性分析，抖動(dòng)濾除器為了實(shí)現對輸入時(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(dòng)濾除器件，多數應用場(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，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)現抖動(dòng)濾除的功能，圖14 是CDCM6208 作為抖動(dòng)濾除功能應用時(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)濾除應用時(shí)相應的相位噪聲性能 

4.3、超高性能抖動(dòng)濾除時(shí)鐘器件

為了滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域高集成度、超低抖動(dòng)、低功耗的時(shí)鐘器件應用需求，德州儀器是業(yè)界第一家推出了實(shí)現<300fs 超低抖動(dòng)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)現抖動(dòng)濾除功能，也可實(shí)現時(shí)鐘頻率合成，被廣泛應用于無(wú)線(xiàn)基站、微波通信和100GE 數據通信領(lǐng)域。

圖15 LMK04XXX 系列雙級級聯(lián)時(shí)鐘器件方框圖

LMK04XXX 系列器件內部結構如圖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)延調整和輸出分發(fā)電路等，其中，第一級鎖相環(huán)實(shí)現抖動(dòng)濾除功能，實(shí)現輸出時(shí)鐘具有低抖動(dòng)的近端噪聲，而第二級鎖相環(huán)利用內部集成高性能LC 振蕩器實(shí)現時(shí)鐘倍頻功能，可以實(shí)現超低抖動(dòng)的遠端噪聲，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~100fs 級別的抖動(dòng)輸出。

圖16 LMK04906 + VCXO 輸出相位噪聲

總結

不管在高速有線(xiàn)通信系統、3G/4G 的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，還是在工業(yè)自動(dòng)化控制系統、醫療系統以及終端消費產(chǎn)品和計算機產(chǎn)品應用中，時(shí)鐘器件都是硬件電路設計中不可或缺的部件，而且時(shí)鐘抖動(dòng)性能往往是整個(gè)系統設計的關(guān)鍵參數，因此正確理解和選擇適合系統應用的時(shí)鐘解決方案是硬件電路設計的重要組成部分。本文詳細介紹了各類(lèi)時(shí)鐘器件的抖動(dòng)性能，旨在協(xié)助電路設計者甄別各類(lèi)時(shí)鐘器件的抖動(dòng)性能規格，同時(shí)理解在不同應用條件下的時(shí)鐘器件抖動(dòng)規格差異，選擇適合系統應用的時(shí)鐘解決方案。德州儀器作為目前業(yè)界最廣泛時(shí)鐘解決方案的供應商之一，時(shí)鐘產(chǎn)品包括單端、差分、零延時(shí)等時(shí)鐘驅動(dòng)器，多種類(lèi)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(mǎn)足大多數時(shí)鐘解決方案的設計需求。