時鐘和時鐘振蕩器（也稱為時鐘發(fā)生器）幾乎是每個電路的一部分，大多數(shù)系統(tǒng)的設(shè)計都不止一個。事實上，設(shè)計中有四個，六個或更多，支持內(nèi)部電路以及外部I/O和接口并不罕見。它們建立最終載波設(shè)置或重新建立并與接收信號載波同步。此外，許多系統(tǒng)都需要能夠更改或轉(zhuǎn)換時鐘，以滿足超過單一終端應(yīng)用情況的調(diào)整要求。

時鐘在為各種應(yīng)用提供服務(wù)時提供了廣泛的功能和特性，但是還有相當多的命名和功能混淆與重疊的術(shù)語，如時鐘，振蕩器，發(fā)生器和合成器等。

固定頻率時鐘用于處理器，存儲器和其他外圍設(shè)備的調(diào)步。同一系列中的一系列類似產(chǎn)品可能需要不同的時鐘頻率，以支持各種速度選項或功能。這些固定頻率時鐘也可以用作有線和無線鏈路中的基本定時參考。一些時鐘元件包括晶體或其他定時源，用于產(chǎn)生輸出;其他需要用戶提供外部晶體。

一些固定頻率設(shè)備是可編程的，因此可以在多個BOM（物料清單）上使用相同的設(shè)備來簡化庫存，但即使是“可編程”設(shè)備也可能存在誤解。它們可以是供應(yīng)商的一次性可編程，OEM生產(chǎn)線上的一次性可編程，電路板上可編程的引腳帶，或軟件可編程甚至可以“動態(tài)”重新編程。此外，還有可編程時鐘，可以重新編程有限次數(shù)，頻率甚至可以改變幾次，以適應(yīng)不同的生產(chǎn)和應(yīng)用需求。為了增加潛在的復(fù)雜性，一些時鐘振蕩器提供多個同時獨立的輸出，因此單個晶體和器件可以提供大多數(shù)系統(tǒng)所需的多個時鐘。

此外，還有合成器使用單晶或主時鐘在指定范圍內(nèi)產(chǎn)生任意頻率輸出。與基本時鐘振蕩器一樣，一些合成器一旦固定就固定，其他合成器可動態(tài)設(shè)置，以根據(jù)需要提供指定頻譜中的任何頻率（通常是載波）。

在無線系統(tǒng)中，有兩組基本時鐘：用于設(shè)置通道基本時序的固定頻率，例如點對點專用鏈路，以及可根據(jù)需要移動頻率的時鐘支持不同的頻道，例如Wi-Fi鏈路上的跳頻。

選擇注意事項

考慮到所有時鐘選項，確定哪種基本時鐘方法是合適的可能是一個挑戰(zhàn)。但是，通過專注于主要規(guī)范可以簡化該過程，因為并非所有時鐘配置選項都具有可比較的規(guī)范。只有滿足這些頂級要求的設(shè)備才能在各種配置中考慮。與往常一樣，性能的權(quán)衡需要根據(jù)性能屬性的權(quán)重進行評估。

最關(guān)鍵的形式是時鐘的最大標稱頻率能力，對于大多數(shù)無線應(yīng)用來說，它將跨越幾百個MHz到GHz范圍。對于可編程器件，最大值和最小值都很關(guān)鍵;時鐘IC通常具有10：1或5：1最大/最小跨度。

另一個重要規(guī)格是給定設(shè)置下的初始頻率誤差（容差），以百分比，Hz或百萬分率表示。如果時鐘不是固定頻率設(shè)備，則該數(shù)量可以根據(jù)標稱頻率而變化。

所有振蕩器都會漂移。如果器件包含內(nèi)部晶體，或者它使用模擬電路調(diào)節(jié)和縮放外部晶體，它將隨溫度發(fā)生一些漂移;如果它是一個全數(shù)字設(shè)備，漂移將會更少，盡管仍然會有一些閾值，邏輯門的時序會略有變化。高性能振蕩器的溫度系數(shù)通常以ppm/?C表示，其值范圍從大約十到幾百。當然，最大可接受值取決于應(yīng)用。

對于頻率在使用期間動態(tài)切換的振蕩器，而不是僅在初始上電時通過用戶啟動的調(diào)諧或模式切換進行更改，關(guān)鍵參數(shù)是確定新頻率的時間。根據(jù)振蕩器的架構(gòu)，對于合成器或基于PLL的設(shè)計，或者相對較長的時間，這幾乎是瞬時的。即使核心電路沒有不連續(xù)性（如某些架構(gòu)那樣），如果相關(guān)的輸出緩沖放大器或驅(qū)動器必須在很大范圍內(nèi)擺動，可能會出現(xiàn)建立時間問題。通常，小的頻率變化并不具有挑戰(zhàn)性，但是廣泛的變化可能會有更長的穩(wěn)定時間;實際上，振蕩器必須在整個范圍內(nèi)快速轉(zhuǎn)換的應(yīng)用很少。

在許多情況下，漂移也是一個考慮因素。具有內(nèi)部晶體的時鐘由于晶體老化而表現(xiàn)出短期和長期漂移，盡管這些術(shù)語可能與每個供應(yīng)商具有不同的定義。有些人將“短期”定義為一年，將“長期”定義為五年，十年甚至二十年。最后，將功耗和封裝尺寸因素問題納入決策，但與基本性能規(guī)范相比，這些通常是次要的。一般來說，低功耗器件的規(guī)格要低于消耗更多功率的器件，但這是一個工藝，設(shè)計和測試的進步意味著權(quán)衡利弊的領(lǐng)域。

抖動：最具挑戰(zhàn)性的問題有很多原因

在決定振蕩器選項時工程師必須評估的最關(guān)鍵參數(shù)中，抖動是最難以表征和匹配的應(yīng)用。在時域中，抖動表現(xiàn)為“完美”輸出的微小變化（圖1）;在頻域中，它表現(xiàn)為相位/頻率變化（噪聲）和單頻信號頻譜的擴展（圖2）。兩種觀點都是同樣有效的方式來觀察相同的物理現(xiàn)象，哪種觀點取決于具體情況，適用的標準和系統(tǒng)性能要求。

圖1：在時域中，理論上“完美”的時鐘信號（頂部）顯示了微小的來回變化（底部）被定義為抖動。 （由IDT提供）

圖2：在同等合法的頻域替代視圖中，完美的單頻尖峰（頂部）變?yōu)轭l率分量和相關(guān)能量的傳播（下圖）。 [由IDT提供]

抖動是一個復(fù)雜的主題，并且由于幾個原因通常難以量化。它通常相對較小，但仍然是系統(tǒng)性能的重要因素;它有許多貢獻源，包括內(nèi)部電路噪聲，外部源噪聲，元件熱噪聲，元件缺陷和熱致機械變化。作為概率特征，沒有單一的正確或簡單的方法來定義它;在使用的許多定義中，有許多定義是峰值，均方根，平均值，短期變化和長期平均值等等。抖動也可能在輸出上顯示為非諧波相關(guān)的頻率雜散，與基頻相距一定距離（圖3a和3b）。

圖3a和3b：與抖動相關(guān)的雜散是不需要的頻率分量，與基波無諧波相關(guān);上部跡線是對數(shù) - 對數(shù)相位噪聲圖，顯示1066 MHz時鐘頻域的無雜散抖動;較低的走線是相同的時鐘，但與基頻相比具有30 dB的30 MHz偏移。

抖動的影響范圍可以是A/D采樣誤差和D/A轉(zhuǎn)換時間，“噪聲“在信號上，增加了BER（誤碼率），增加了符號間干擾，以及許多其他表現(xiàn)形式。通常，時鐘抖動的可見影響在系統(tǒng)的其他地方，例如對不可避免的信道噪聲的容忍度降低，這會在采樣窗口收縮并且ISI眼圖關(guān)閉時發(fā)生。抖動與整體系統(tǒng)性能之間的聯(lián)系有時難以判斷，并且通常由于額外的抖動而使電路的非時鐘部分增加到時鐘信號本身。振蕩器抖動還可以建立相位本底噪聲，以dBc/Hz為單位，是一個品質(zhì)因數(shù)（FOM），對于高性能接收器通道或雷達系統(tǒng)等應(yīng)用非常重要。

匹配時鐘發(fā)生器時針對應(yīng)用的抖動規(guī)范，最好查看業(yè)界為該應(yīng)用設(shè)置的標準（如果有）（例如IEEE 802.11x），閱讀與應(yīng)用相關(guān)的應(yīng)用筆記，并仔細研究數(shù)據(jù)表及其應(yīng)用測試條件和腳注。

示例顯示了不同的產(chǎn)品

兩個時鐘振蕩器/發(fā)生器IC系列展示了這個基本功能如何演變成非常不同的組件。 Silicon Labs Si5xx產(chǎn)品組合非常適合從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，基站，存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)和廣播視頻系統(tǒng)到數(shù)據(jù)通信和電信的單板計算機等應(yīng)用。這些單，雙和四I 2 C可編程頻率器件的工作頻率范圍為100 KHz至1.4 GHz，具有低抖動操作特性。例如，Si535提供0.19 ps RMS類型的相位抖動，從而提高了設(shè)計余量和系統(tǒng)級性能。與傳統(tǒng)的XO不同，Si535使用一個固定晶體來提供寬范圍的輸出頻率，而每個輸出頻率都需要不同的晶體。這種基于IC的方法允許晶體諧振器提供出色的頻率穩(wěn)定性和可靠性。此外，DSPLL時鐘合成可提供卓越的電源噪聲抑制，簡化了在通信系統(tǒng)中常見的嘈雜環(huán)境中生成低抖動時鐘的任務(wù)。

同樣，供應(yīng)商的Si534是一款四頻晶體振蕩器，可以在10至945 MHz的任何頻率和1400 MHz的選定頻率下提供單一輸出（圖4）。它針對通用無線和有線鏈路，由供應(yīng)商根據(jù)各種用戶規(guī)范進行配置，包括頻率，電源電壓（3.3,2.5和1.8 V），輸出格式（CMOS，LVPECL，LVDS和CML），以及溫度穩(wěn)定性;請注意，包括抖動在內(nèi)的規(guī)格會因這些設(shè)置而異。在這種情況下，用戶可以通過小型（5×7 mm）8引線器件封裝上的兩個控制引腳選擇四個可用頻率中的哪一個（工廠設(shè)置為用戶訂單）應(yīng)出現(xiàn)在該器件的輸出端，包括內(nèi)部晶體。

圖4：Silicon Labs XO包含一體化晶體;它由供應(yīng)商按照客戶選擇的四個輸出頻率進行編程，然后可以通過兩條控制線隨時調(diào)用四個中的任何一個。

典型的初始精度在25°C時為±1.5 ppm，而第一年漂移為±3 ppm，超過20年的漂移據(jù)說最大為±10 ppm。該供應(yīng)商提供了許多抖動規(guī)范，其中包括500 MHz以上輸出頻率的相位抖動（rms），0.25 psec（典型值）和0.40 psec（最大值），以及622.08 MHz的典型輸出相位噪聲-146 dBc/Hz（用LVPECL輸出）。在四個可能的時鐘輸出之間切換時的建立時間最長為20毫秒。

同樣值得注意的是Peregrine Semiconductor PE33241針對無線本地環(huán)路（WLL）;射頻產(chǎn)生; L，S和C波段合成器;和通信系統(tǒng)，移動終端，遙測，雷達和便攜式無線電中的時鐘恢復(fù)（圖5）。這種用于低相位噪聲應(yīng)用的整數(shù)N鎖相環(huán)（PLL）頻率合成器可以使用10/11預(yù)分頻模數(shù)達到5 GHz，使用5/6預(yù)分頻模數(shù)可達到4 GHz（后一模數(shù)選擇可提供更好的規(guī)格） ）。建立輸出頻率的計數(shù)器值可由用戶通過其串行接口或直接硬連線配置進行編程。這款48引腳7×7 mm QFN器件的相位噪聲基底FOM為-230 dBc/Hz。

圖5：Peregrine的PE33241半導(dǎo)體根據(jù)所選的模數(shù)對提供4或5 GHz的用戶可選輸出;極低相位噪聲基底FOM為-230 dBc/Hz，非常適合雷達，遙測和高級移動無線電系統(tǒng)。

該IC的頻率范圍和高性能意味著在給定的應(yīng)用程序中評估和正確編程它可能很困難。因此，供應(yīng)商提供帶有USB接口的評估板（指定為EK33241-13），以便在使用外部穩(wěn)定的低噪聲參考源時展示出最佳的相位噪聲性能（圖6）。在這些GHz頻率下，無處不在的FR-4 PC板材料不適合，因此評估板由四層堆疊組成，兩層外層為Rogers 4350B（εr= 3.48），兩層內(nèi)層為FR406（ε） r = 4.80）材料。 12密耳（0.30 mm）厚的內(nèi)層為RF傳輸線提供接地層，總板厚為62密耳（1.57 mm）。

圖6：在GHz頻譜中提供低噪聲，高性能規(guī)格的器件很難評估并集成到整個系統(tǒng)設(shè)計中，因此Peregrine提供了一個USB兼容的評估板來完成任務(wù)。