作者：Bill Schweber

　　時(shí)鐘振蕩器通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)組件的速度來提供現(xiàn)代電路的定時(shí)心跳。隨著系統(tǒng)速度增加到數(shù)百兆赫 (MHz) 甚至更高，這些時(shí)鐘必須更快并提供非常低的抖動(dòng)(通常低于 100 飛秒 (fs))，以維持系統(tǒng)性能。盡管溫度和電壓發(fā)生變化，它們還必須隨著時(shí)間的推移保持其低抖動(dòng)規(guī)格。

　　一些抖動(dòng)是由信號(hào)路徑噪聲和失真引起的，使用時(shí)鐘恢復(fù)和重定時(shí)技術(shù)可以在一定程度上減少抖動(dòng)。然而，時(shí)鐘源(通常是振蕩器)也會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)。這是由于各種物理現(xiàn)象造成的，包括熱噪聲、工藝缺陷、電源噪聲、進(jìn)入時(shí)鐘振蕩器的其他外部噪聲、材料應(yīng)力以及許多其他微妙因素。無論來源如何，設(shè)計(jì)人員都應(yīng)盡一切可能最大限度地減少固有時(shí)鐘抖動(dòng)，因?yàn)槿毕菔遣豢赡娴摹?/span>

　　本文從不同角度討論抖動(dòng)問題。然后介紹Abracon LLC的不同時(shí)鐘振蕩器，并展示如何通過將時(shí)鐘振蕩器性能與應(yīng)用相匹配來最大程度地減少抖動(dòng)。

　　抖動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí)

　　時(shí)鐘抖動(dòng)是時(shí)鐘沿與其理想時(shí)間位置的偏差。這種抖動(dòng)會(huì)影響時(shí)鐘信號(hào)調(diào)速的數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)亩〞r(shí)精度和準(zhǔn)確度，從而導(dǎo)致接收器解碼/解調(diào)電路或其他系統(tǒng) IC 的信噪比 (SNR) 下降。這會(huì)導(dǎo)致更高的誤碼率 (BER)、增加重傳并降低有效數(shù)據(jù)吞吐量。

　　鑒于時(shí)鐘抖動(dòng)的重要性，在通過電纜、連接器或電路板將信號(hào)從發(fā)射源傳遞到接收器的系統(tǒng)中，時(shí)鐘抖動(dòng)被廣泛分析。根據(jù)應(yīng)用的不同，它可以通過多種方式來表征，包括周期抖動(dòng)、周期抖動(dòng)和長(zhǎng)期抖動(dòng)(圖 1)。

　　圖 1：術(shù)語(yǔ)“抖動(dòng)”包含許多時(shí)序變化，包括周期抖動(dòng)、周期抖動(dòng)和長(zhǎng)期抖動(dòng)。 (圖片來源：VLSI宇宙)

　　周期間抖動(dòng)表示兩個(gè)連續(xù)周期內(nèi)時(shí)鐘周期的變化，與隨時(shí)間變化的頻率變化無關(guān)。

　　周期抖動(dòng)是任何時(shí)鐘周期相對(duì)于其平均周期的偏差。它是理想時(shí)鐘周期與實(shí)際時(shí)鐘周期之間的差異，可以指定為均方根 (RMS) 周期抖動(dòng)或峰峰值周期抖動(dòng)。

　　長(zhǎng)期抖動(dòng)是指時(shí)鐘沿在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)與其理想位置的偏差。這有點(diǎn)類似于漂移。

　　抖動(dòng)可能會(huì)破壞用于實(shí)現(xiàn)低 BER 數(shù)據(jù)恢復(fù)的其他子功能、組件或系統(tǒng)所使用的時(shí)序，或者同步系統(tǒng)中的存儲(chǔ)元件或處理器等組件的速度。在圖 2 的眼圖中可以看出，位時(shí)序中交叉點(diǎn)的加寬。

　　圖 2：在眼圖中，抖動(dòng)被視為數(shù)據(jù)流中關(guān)鍵時(shí)序交叉點(diǎn)的擴(kuò)大。 (圖片來源：Kevin K. Gifford/科羅拉多大學(xué))

　　對(duì)于串行數(shù)據(jù)鏈路，接收端的電路必須嘗試重新建立自己的時(shí)鐘，以實(shí)現(xiàn)最佳的數(shù)據(jù)流解碼。為此，它必須同步并鎖定源時(shí)鐘，通常使用鎖相環(huán) (PLL)。抖動(dòng)會(huì)影響系統(tǒng)精確執(zhí)行此操作的能力，從而損害其以低 BER 恢復(fù)數(shù)據(jù)的能力。

　　請(qǐng)注意，抖動(dòng)可以在時(shí)域和頻域中測(cè)量;兩者都是對(duì)同一現(xiàn)象同樣有效的觀點(diǎn)。相位噪聲是振蕩器信號(hào)周圍噪聲頻譜的頻域視圖，而抖動(dòng)是振蕩器周期定時(shí)精度的時(shí)域度量。

　　抖動(dòng)測(cè)量可以用多種方式表示。通常使用“10 皮秒抖動(dòng)”(ps) 等時(shí)間單位來引用。均方根 (RMS) 相位抖動(dòng)是從相位噪聲(頻域)測(cè)量得出的時(shí)域參數(shù)。抖動(dòng)有時(shí)也稱為相位抖動(dòng)，這可能會(huì)造成混淆，但它仍然是時(shí)域抖動(dòng)參數(shù)。

　　隨著鏈路工作頻率及其時(shí)鐘從幾十 MHz 加速到數(shù)百 MHz 甚至更高，時(shí)鐘源上允許的抖動(dòng)降低到大約 100 fs 或更小。這些頻率適用于光模塊、云計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和高速以太網(wǎng)，所有這些功能和應(yīng)用都需要 100 至 212/215 MHz 之間的載波頻率以及高達(dá) 400 Gbps 的數(shù)據(jù)速率。

　　管理水晶

　　創(chuàng)建穩(wěn)定、一致、頻率準(zhǔn)確的時(shí)鐘信號(hào)的最常見方法是使用石英晶體振蕩器。相關(guān)的振蕩器電路支持晶體。有許多這樣的電路系列，每個(gè)系列都有不同的權(quán)衡。自 20 世紀(jì) 30 年代以來，晶體一直被用于中頻(300 kHz 至 3 MHz)和高頻(3 至 30 MHz)RF 頻段的無線電通信。

　　一種廣泛使用的生成低抖動(dòng)時(shí)鐘的方法是使用基于 PLL 的架構(gòu)的多種變體之一。例如，Abracon 的 AX5 和 AX7 ClearClock? 系列中的器件分別采用 5 × 3.2 毫米 (mm) 和 5 × 7 mm 封裝，并使用先進(jìn)的 PLL 技術(shù)來實(shí)現(xiàn)卓越的低抖動(dòng)性能(圖 3)。

　　圖 3：Abracon AX5 和 AX7 時(shí)鐘振蕩器使用多種基于 PLL 的設(shè)計(jì)之一，但進(jìn)行了細(xì)微的增強(qiáng)以最大限度地減少抖動(dòng)。 (圖片來源：Abracon)

　　除了工作頻率和振蕩器設(shè)計(jì)之外，抖動(dòng)性能還受到振蕩器核心石英晶體物理尺寸的影響。隨著晶體尺寸的減小，提供卓越的 RMS 抖動(dòng)性能變得更具挑戰(zhàn)性。

　　對(duì)于 100 至 200 MHz 頻段且外形尺寸小于基于 PLL 的 AX5 和 AX7 器件的時(shí)鐘解決方案，需要一種新的振蕩器架構(gòu)。這些對(duì)較小尺寸的要求通常與最新一代的光收發(fā)器和模塊相關(guān)。有四種既定方法可設(shè)計(jì) 100 至 200 MHz 范圍內(nèi)的時(shí)鐘振蕩器：

　　使用帶有倒置臺(tái)面石英毛坯的石英振蕩器作為諧振器元件

　　使用帶有三次泛音石英坯的石英振蕩器作為諧振器元件

　　使用基于低于 50 MHz、三次泛音/基波模式石英坯的振蕩器環(huán)路，或低于 50 MHz 的溫度補(bǔ)償晶體振蕩器，并與整數(shù)或小數(shù)模式 PLL IC 配合使用

　　使用基于 50 MHz 以下微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 諧振器的振蕩器環(huán)路，并與整數(shù)或小數(shù)模式 PLL IC 配合使用

　　選項(xiàng) 1 不提供最佳的 RMS 抖動(dòng)性能，也不是最具成本效益的解決方案。選項(xiàng) 3 變得復(fù)雜且存在性能缺陷，而選項(xiàng) 4 的 MEMS 諧振器方法不滿足 200 fs 最大 RMS 抖動(dòng)的主要性能標(biāo)準(zhǔn)。相比之下，方案2使用優(yōu)化設(shè)計(jì)的三次泛音石英毛坯，并考慮到電極的幾何形狀和切割角度的優(yōu)化。這種組合在成本、性能和尺寸方面都是最佳的。

　　利用這種方法，Abracon 開發(fā)了“第三泛音”ClearClock 解決方案(圖 4)。這些器件采用更安靜的架構(gòu)，可在小至 2.5 × 2.0 x 1.0 mm 的微型封裝中實(shí)現(xiàn)卓越的超低 RMS 抖動(dòng)性能和極高的能效。

　　圖 4：Abracon 的“第三泛音”ClearClock 解決方案使用更安靜的架構(gòu)來提高整體性能和能源效率。 (圖片來源：Abracon)

　　在該方案中，對(duì)三次泛音晶體毛坯的精心設(shè)計(jì)，以及對(duì)所需載波信號(hào)的適當(dāng)濾波和“捕獲”，確保了在所需載波頻率下出色的 RMS 抖動(dòng)性能。

　　該架構(gòu)不使用典型的 PLL 方法，因此沒有上變頻。因此，不需要標(biāo)準(zhǔn)的PLL分?jǐn)?shù)或整數(shù)乘法，并且最終的輸出頻率與三次泛音石英晶體的諧振頻率具有一一對(duì)應(yīng)的相關(guān)性。由于沒有小數(shù)或整數(shù)乘法，因此簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，并以盡可能小的尺寸實(shí)現(xiàn)了最小的抖動(dòng)。

　　實(shí)際規(guī)格和性能

　　時(shí)鐘振蕩器不僅僅是晶體及其模擬電路。它們包括緩沖，以確保振蕩器輸出負(fù)載及其短期和長(zhǎng)期變化不會(huì)影響裝置的性能。它們還支持各種差分?jǐn)?shù)字邏輯輸出電平，以實(shí)現(xiàn)電路兼容性。這種兼容性消除了對(duì)外部邏輯電平轉(zhuǎn)換 IC 的需要。這種 IC 會(huì)增加成本、占地面積和抖動(dòng)。

　　由于時(shí)鐘振蕩器用于具有不同軌電壓的多種不同應(yīng)用，因此必須提供各種電源電壓，例如 +1.8V、+2.5V 或 +3.3V，以及通常從 2.25 到 2.25V 的自定義值。 3.63伏。它們還必須具有不同的輸出格式選項(xiàng)，例如低壓正/偽發(fā)射極耦合邏輯 ( LVPECL ) 和低壓差分信號(hào) (LVDS) 以及其他格式。

　　通過查看兩個(gè)晶體時(shí)鐘振蕩器系列(AK2A 和 AK3A)，可以了解通過對(duì)材料、設(shè)計(jì)、架構(gòu)和測(cè)試的深入理解和集成可以實(shí)現(xiàn)什么。這兩個(gè)系列很相似，其顯著差異在于大小和最大頻率。

　　AK2A系列：該系列晶體振蕩器的標(biāo)稱頻率為 100 至 200 MHz，工作電壓為 2.5 V、3.3 V 和 2.25 至 3.63 V，具有 LVPECL、LVDS 和 HCSL 差分輸出邏輯。

　　所有系列成員都具有相似的性能，包括低 RMS 抖動(dòng)。例如，AK2ADDF1-100.000T是一款 100.00 MHz、3.3 V 器件，具有 LVDS 輸出和 160.2 fs 的 RMS 抖動(dòng)(圖 5)。其頻率穩(wěn)定性非常出色，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)優(yōu)于 ±15 ppm，并且采用六引線表面貼裝器件 (SMD) 封裝，尺寸為 2.5 × 2.0 × 1.0 mm。

　　圖 5：AK2ADDF1-100.000T(一款具有 LVDS 輸出的 3.3 V、100 MHz 器件)的抖動(dòng)顯示為 160 fs。 (圖片來源：Abracon)

　　然而，隨著時(shí)鐘頻率的增加，抖動(dòng)必須減少才能維持系統(tǒng)級(jí)性能。對(duì)于AK2ADDF1-156.2500T(156.25 MHz LVDS 振蕩器)，典型 RMS 抖動(dòng)降至 83 fs。

　　AK3A系列： AK3A系列中的器件比 AK2A 系列中的器件稍大，占位面積為 3.2 × 2.5 × 1.0 mm(圖 6)。目前已有多個(gè)版本，頻率指定為 212.5 MHz，略高于 AK2A 系列的 200 MHz 限制。

　　圖6：AK3A(右)晶體振蕩器比AK2A系列(左)稍長(zhǎng)、稍寬; AK2A 版本的頻率高達(dá) 212.5 MHz，而 AK2A 的頻率為 200 MHz。 (圖片來源：Abracon)

　　該 AK3A 器件的總體規(guī)格與相應(yīng) AK2A 系列成員的規(guī)格類似。例如，AK3ADDF1-156.2500T3是一款 156.25 MHz LVDS 振蕩器，其典型 RMS 抖動(dòng)為 81 fs，略優(yōu)于 AK2A 系列的相應(yīng)成員。

　　這兩個(gè)系列的抖動(dòng)因工作頻率、工作電壓、封裝尺寸和輸出選擇而異。

　　其他現(xiàn)實(shí)世界的考慮因素

　　僅在出廠當(dāng)天就達(dá)到規(guī)格要求的時(shí)鐘振蕩器是不夠的。與所有組件一樣，尤其是模擬和無源組件，這些振蕩器會(huì)由于組成材料的老化和內(nèi)部應(yīng)力而隨著時(shí)間的推移而發(fā)生漂移。

　　這一現(xiàn)實(shí)對(duì)于高性能時(shí)鐘振蕩器來說尤其具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)闆]有方便或簡(jiǎn)單的方法通過添加軟件或巧妙的電路來糾正或補(bǔ)償這種漂移。然而，有一些方法可以減輕漂移的影響。其中包括最終用戶為了加速振蕩器老化而進(jìn)行的長(zhǎng)時(shí)間老化，或者在恒溫箱控制的外殼中使用溫度穩(wěn)定的振蕩器。前者耗時(shí)且對(duì)供應(yīng)鏈構(gòu)成挑戰(zhàn)，而后者則體積龐大、成本高昂且耗電。

　　Abracon 的 ClearClock 系列認(rèn)識(shí)到老化是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，因此在 10 至 20 年的整個(gè)最終產(chǎn)品壽命內(nèi)提供嚴(yán)格、全面的頻率精度。 Abracon 確保在此期間遵守優(yōu)于 ±50 ppm 的頻率穩(wěn)定性。這是通過仔細(xì)選擇和制造三次泛音晶體并將其調(diào)節(jié)以滿足 -20°C 至 +70°C 范圍內(nèi) ±15 ppm 穩(wěn)定性以及 -40°C 至 +85°C 范圍內(nèi) ±25 ppm 穩(wěn)定性來實(shí)現(xiàn)的。

　　一如既往，工程就是要進(jìn)行權(quán)衡。與前代系列(分別為第一代 AK2 和 AX3)相比，Abracon AK2A 和 AK3A 系列通過使用下一代(第二代)振蕩器 ASIC 提供了改進(jìn)的抖動(dòng)噪聲性能，從而確保了超低 RMS 抖動(dòng)性能。

　　這一改進(jìn)是以功耗略有增加為代價(jià)實(shí)現(xiàn)的。最大電流消耗從第一代的 50 毫安 (mA) 增加到第二代的 60 毫安，盡管低壓器件的運(yùn)行電流約為該值的一半。因此，第二代 ClearClock 振蕩器可提供超低 RMS 抖動(dòng)，同時(shí)仍保持低功耗。

　　結(jié)論

　　定時(shí)振蕩器是數(shù)據(jù)鏈路或時(shí)鐘功能的心跳，其精度、抖動(dòng)和穩(wěn)定性是實(shí)現(xiàn)所需系統(tǒng)級(jí)性能(包括高 SNR 和低 BER)的關(guān)鍵參數(shù)。通過創(chuàng)新的材料選擇和架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)更高的時(shí)鐘頻率，以滿足行業(yè)及其各種標(biāo)準(zhǔn)要求的嚴(yán)格性能規(guī)范。 Abracon AK2A 和 AK3A 系列采用每邊僅幾毫米的 SMD 封裝，在 100 至 200 MHz 范圍內(nèi)抖動(dòng)低于 100 fs。