摘要

　　在選擇時鐘器件時，抖動指標(biāo)是最重要的關(guān)鍵參數(shù)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(huán)的時鐘驅(qū)動器有附加抖動指標(biāo)要求，而帶鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)零延時的時鐘驅(qū)動器則有周期抖動和周期間抖動指。同時，不同廠家對相關(guān)時鐘器件的抖動指標(biāo)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(guān)器件的抖動指標(biāo)規(guī)格，同時選擇抖動性能適合系統(tǒng)應(yīng)用的時鐘解決方案，本文詳細(xì)介紹了如何理解兩種類型時鐘驅(qū)動器的抖動參數(shù)，以及從鎖相環(huán)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(dǎo)體工藝速度和集成度的提高，以及模擬集成電路設(shè)計(jì)能力的提升，鎖相環(huán)芯片的產(chǎn)品形態(tài)越來越豐富，大大提升了系統(tǒng)時鐘方案設(shè)計(jì)的靈活性，同時降低了系統(tǒng)時鐘方案總成本。目前，鎖相環(huán)集成芯片已被廣泛應(yīng)用于無線通信、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、消費(fèi)電子、醫(yī)療設(shè)備和安防監(jiān)控等領(lǐng)域，可以實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)定時同步、時鐘產(chǎn)生、時鐘恢復(fù)和抖動濾除、頻率合成和轉(zhuǎn)換、時鐘分發(fā)和驅(qū)動等功能。

　　面對時鐘器件供應(yīng)商提供的種類繁多的芯片，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇滿足性能規(guī)格，同時總體方案成本又具有競爭力的時鐘電路，是電路設(shè)計(jì)者面臨的一個難題。由于時鐘器件的關(guān)鍵指標(biāo)是抖動規(guī)格，高性能的抖動指標(biāo)往往價格也要高很多，本文從分析時鐘器件的抖動規(guī)格入手，詳細(xì)介紹了如何正確地理解在時鐘芯片器件手冊里該指標(biāo)的含義。基于抖動指標(biāo)，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(shè)計(jì)者選擇最適合自己的時鐘方案。

　　2 時鐘抖動和鎖相環(huán)噪聲模型

　　對時鐘器件而言，抖動和鎖相環(huán)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(nèi)對時鐘周期的變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與測量的結(jié)果，相鄰周期間抖動是時鐘相鄰周期的周期差值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與測量的結(jié)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(zhuǎn)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(jī)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(shè)計(jì)優(yōu)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(jī)抖動是不能預(yù)測的噪聲源，如熱噪聲（也稱為Johnson 噪聲或散粒噪聲），以及半導(dǎo)體加工工藝的局限性等。由于隨機(jī)噪聲是由多種不相關(guān)噪聲源疊加的， 根據(jù)統(tǒng)計(jì)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(jī)抖動幅度的表征：

　　1. 均值（RMS）抖動，即高斯分布一階標(biāo)準(zhǔn)偏差值s。一般采用在規(guī)定的濾波器帶寬內(nèi)的RMS 抖動，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，即高斯正態(tài)曲線上最小測量值到最大測量值之間的差值。根據(jù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)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，峰峰值約等于14 倍的標(biāo)準(zhǔn)偏差值，即為。

　　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(wěn)定度，是指偏離載波頻率（f-fc）處1Hz 帶寬內(nèi)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(wěn)定的話，從頻譜上看其邊帶會隨著遠(yuǎn)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(guān)系

　　通過前面分析，噪聲可以用時域的相位抖動指標(biāo)和頻域的相位噪聲指標(biāo)來表征，但兩者反映了是同一個物理現(xiàn)象，故均值抖動可以通過頻域的相位噪聲曲線計(jì)算獲得，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，頻域的相位噪聲與均值抖動之間的關(guān)系如下式：

　　 （1）

　　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(zhuǎn)換為時域的抖動值。

　　圖3 是某個鎖相環(huán)時鐘器件輸出的相位噪聲，載波頻率Vo= 156.25MHz，為計(jì)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(shù) dBc/Hz，BC 段20dBc 衰減，冪率近似為 的噪聲類型。

　　圖3 相位噪聲曲線

　　按照式子（1）關(guān)于相位噪聲與均值抖動間的轉(zhuǎn)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

　　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：