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作者：Steven Shi，TI公司China Telecom Application Team 摘要 在選擇時鐘器件時，抖動指標是最重要的關鍵參數之一。但不同的時鐘器件，對抖動的描述不盡相同，如不帶鎖相環的時鐘驅動器有附加抖動指標要求，而帶鎖相環實現零延時的時鐘驅動器則有周期抖動和周期間抖動指。同時，不同廠家對相關時鐘器件的抖動指標定義條件也不一樣，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器件的抖動指標規格，同時選擇抖動性能適合系統應用的時鐘解決方案，本文詳細介紹了如何理解兩種類型時鐘驅動器的抖動參數，以及從鎖相環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，鎖相環芯片的產品形態越來越豐富，大大提升了系統時鐘方案設計的靈活性，同時降低了系統時鐘方案總成本。目前，鎖相環集成芯片已被廣泛應用于無線通信、數據網絡、消費電子、醫療設備和安防監控等領域，可以實現通信網定時同步、時鐘產生、時鐘恢復和抖動濾除、頻率合成和轉換、時鐘分發和驅動等功能。 面對時鐘器件供應商提供的種類繁多的芯片，為系統設計選擇滿足性能規格，同時總體方案成本又具有競爭力的時鐘電路，是電路設計者面臨的一個難題。由于時鐘器件的關鍵指標是抖動規格，高性能的抖動指標往往價格也要高很多，本文從分析時鐘器件的抖動規格入手，詳細介紹了如何正確地理解在時鐘芯片器件手冊里該指標的含義。基于抖動指標，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，幫助電路設計者選擇最適合自己的時鐘方案。 2 時鐘抖動和鎖相環噪聲模型 對時鐘器件而言，抖動和鎖相環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對時鐘周期的變化進行統計與測量的結果，相鄰周期間抖動是時鐘相鄰周期的周期差值進行統計與測量的結果，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計優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。隨機抖動是不能預測的噪聲源，如熱噪聲（也稱為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噪聲源疊加的， 根據統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，即高斯分布一階標準偏差值=555;。一般采用在規定的濾波器帶寬內的RMS 抖動，如光通信領域常用的積分帶寬是（12KHz ~ 20MHz）。 2. 峰峰值（Peak-to-peak）抖動，即高斯正態曲線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
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(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定的話，從頻譜上看其邊帶會隨著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系 通過前面分析，噪聲可以用時域的相位抖動指標和頻域的相位噪聲指標來表征，但兩者反映了是同一個物理現象，故均值抖動可以通過頻域的相位噪聲曲線計算獲得，根據相關文獻，頻域的相位噪聲與均值抖動之間的關系如下式：
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換為時域的抖動值。 圖3 是某個鎖相環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
圖3 相位噪聲曲線 按照式子（1）關于相位噪聲與均值抖動間的轉換關系，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
CD 段（2MHz ~ 20MHz）的近似等效均值抖動
BC 段（200KHz ~ 2MHz）的近似等效均值抖動
總的等效均值抖動為：
2.4 鎖相環噪聲模型 圖4 是典型的鎖相環輸出噪聲分布特性曲線。在鎖相環環路帶寬內，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 典型鎖相環輸出噪聲分布 根據鎖相環輸出的噪聲分布特性，對于基于鎖相環電路設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，合理設計鎖相環環路帶寬WBW，如設計電路使得環路帶寬WBW 在兩噪聲源相位噪聲交叉點對應的頻率附近，保證此時環路輸出的相位噪聲最小，圖5 在輸入參考時鐘REF 有較大噪聲條件下，環路帶寬為~10Hz 鎖相環輸出噪聲性能，圖6 在參考時鐘REF 近端噪聲比較干凈，環路帶寬設為100KHz 附近時的輸出噪聲，兩者在對應的應用條件下都可以得到較佳的時鐘抖動性能。
圖5 環路帶寬為~10Hz 鎖相環輸出噪聲
圖6 環路帶寬為100KHz 鎖相環輸出噪聲 3 時鐘驅動器 時鐘驅動器主要功能為時鐘信號分發和增強驅動能力，可分為兩大類：不帶鎖相環的高性能時鐘驅動器，和帶鎖相環實現零延遲等功能的時鐘驅動器。 3.1 不帶鎖相環的時鐘驅動器 對于不帶鎖相環的時鐘驅動器，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：
圖7 時鐘驅動器噪聲分布 為了準確表征驅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 偏置頻率驅動器的低噪大概為-157dBc，在（12KHz ~ 20MHz）積分帶寬內對應的附加抖動指標為：
圖8 附加抖動測試波形 此外，考慮在實際應用系統中，輸入時鐘信號抖動性能往往比不帶鎖相環的時鐘驅動器附加抖動差，因此不同廠家采用系統級附加抖動來表征驅動器本身的附加抖動，圖9 是一個例子，驅動器對輸出時鐘抖動貢獻的系統附加抖動為Jrms, add 183.762 182.12 24.64 fs 。此時，時鐘驅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）往往比系統級的附加抖動大一些，在選擇高性能時鐘驅動器時，要注意正確識別附加抖動和系統級附加抖動指標。
圖9 系統級附加抖動測試 3.2 零延遲時鐘驅動器 零延遲時鐘驅動器主要應用在集中定時并行通信系統或基于CPU 系統的并行總線通信中，如給DDR等供時鐘，要求輸入和輸出時鐘的相位同步，采用內部集成PLL 的方法實現零延遲功能，此時器件輸出的抖動性能主要由器件本身決定。對于此類器件的應用場景，必須要滿足并行數據通信的建立時間和保持時間規格，因此對時鐘驅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 器件手冊抖動規格
4 鎖相環時鐘器件 隨著半導體制造工藝的迅速發展，模擬半導體行業演進到130nm或65nm 節點時，意味模擬器件的集成度可以越來越高。目前，單芯片集成鎖相環時鐘IC 芯片，可以實現多鎖相環集成、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用，也可用作抖動濾除功能實現高性能時鐘輸出。 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生各種不同頻率的輸出，若參考時鐘為本地振蕩器或內部集成時，也稱為時鐘發生器（Clock Generator）。根據應用場景的不同，目前集成IC 內部壓控振蕩器通常采用采用環形振蕩器和LC 振蕩器。環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景，而LC 振蕩器具有品質因數Q 值高的優勢，噪聲性能較環形振蕩器好，被廣泛引用于對抖動指標有較高要求的通信、醫療等領域。 當時鐘器件作為時鐘合成器應用時，環路帶寬通常是在100KHz~400KHz 左右，根據具體應用場景，如輸入頻率和輸出頻率不同，環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品應用的時鐘合成器件，CDCE706 的輸出相位噪聲如圖8 所示，均值抖動為1.8ps@10KHz~5MHz，可滿足大多數消費類產品的應用需求。
圖10 CDCE706 時鐘合成器的輸出抖動性能 在數據通信系統中，往往需要高抖動性能的時鐘發生器，如均值抖動指標Jrms < 1ps@(12KHz ~20MHz)，此時可采用高性能時鐘合成器。由于集成IC 芯片內部的壓控振蕩器長期穩定性較差，相應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，經內部高頻鎖相環電路實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最優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） 當輸入噪聲較大時，無法滿足系統時鐘的設計規格，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，實現時鐘同步的基礎上輸出低抖動的時鐘信號，以滿足系統抖動的應用要求。根據前面對鎖相環噪聲特性分析，抖動濾除器為了實現對輸入時鐘噪聲的濾除功能，必須要用較窄的環路帶寬，如幾十Hz 到幾百Hz。 對于抖動濾除器件，多數應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，鎖相環輸出優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，一些集成鎖相環和高性能VCO 的時鐘器件，如前面提到的CDCM6208、LMK03806 等，也可以實現抖動濾除的功能，圖14 是CDCM6208 作為抖動濾除功能應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 作為抖動濾除應用時相應的相位噪聲性能 4.3 超高性能抖動濾除時鐘器件 為了滿足無線通信領域高集成度、超低抖動、低功耗的時鐘器件應用需求，德州儀器是業界第一家推出了實現<300fs 超低抖動輸出的雙級串行級聯鎖相環時鐘器件，如 LMK04000 系列、LMK04800 系列和LMK04906 等，即可實現抖動濾除功能，也可實現時鐘頻率合成，被廣泛應用于無線基站、微波通信和100GE 數據通信領域。
圖15 LMK04XXX 系列雙級級聯時鐘器件方框圖 LMK04XXX 系列器件內部結構如圖15 所示，包括PLL1、PLL2、集成VCO2、各個時鐘路徑的分頻電路、輸出時延調整和輸出分發電路等，其中，第一級鎖相環實現抖動濾除功能，實現輸出時鐘具有低抖動的近端噪聲，而第二級鎖相環利用內部集成高性能LC 振蕩器實現時鐘倍頻功能，可以實現超低抖動的遠端噪聲，從而獲得整個頻段范圍都具有極其優秀的噪聲性能。圖16 是LMK04906 時鐘器件的一個相位噪聲例子，可以實現~100fs 級別的抖動輸出。
圖16 LMK04906 + VCXO 輸出相位噪聲 5 總結 不管在高速有線通信系統、3G/4G 的無線網絡，還是在工業自動化控制系統、醫療系統以及終端消費產品和計算機產品應用中，時鐘器件都是硬件電路設計中不可或缺的部件，而且時鐘抖動性能往往是整個系統設計的關鍵參數，因此正確理解和選擇適合系統應用的時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時鐘器件的抖動性能，旨在協助電路設計者甄別各類時鐘器件的抖動性能規格，同時理解在不同應用條件下的時鐘器件抖動規格差異，選擇適合系統應用的時鐘解決方案。德州儀器作為目前業界最廣泛時鐘解決方案的供應商之一，時鐘產品包括單端、差分、零延時等時鐘驅動器，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，可以滿足大多數時鐘解決方案的設計需求。 6 參考資料 1． Texas Instruments; CDCLVC1310 Datasheet(scas917b.pdf) 2． Texas Instruments; CDCU2A877 Datasheet(scas827a.pdf) 3． Texas Instruments; CDCE706 Datasheet(scas815i.pdf) 4． Texas Instruments; CDCM6208 Datasheet(scas931b.pdf) 5． Texas Instruments; CDCE72010 Datasheet(scas858c.pdf) 6． Texas Instruments; LMK02000 Datasheet（snas390d.pdf） 7． Texas Instruments; LMK03806 Datasheet(snas522h.pdf) 8． Texas Instruments; LMK04000 Datasheet(snosaz8j.pdf) 9． Texas Instruments; LMK04800 Datasheet(snas489i.pdf) 10． Texas Instruments; LMK04906 Datasheet(snas589b.pdf) 11． Roland E.Best，Phase Locked Loops: Design, Simulation, and Applications，6th ed., McGraw-Hill Inc, 2007 |
