零延遲時鐘驅(qū)動器 - 正確理解時鐘器件的抖動性能

　　3.2 零延遲時鐘驅(qū)動器

　　零延遲時鐘驅(qū)動器主要應(yīng)用在集中定時并行通信系統(tǒng)或基于CPU 系統(tǒng)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(nèi)部集成PLL 的方法實(shí)現(xiàn)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(yīng)用場景，必須要滿足并行數(shù)據(jù)通信的建立時間和保持時間規(guī)格，因此對時鐘驅(qū)動器表征抖動常用的指標(biāo)是相鄰周期間抖動和周期抖動，下面是CDCU2A877 器件的抖動規(guī)格，其中，考慮DDR 存儲器需要上、下邊沿采樣，故在JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)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(guī)格

　　4 鎖相環(huán)時鐘器件

　　隨著半導(dǎo)體制造工藝的迅速發(fā)展，模擬半導(dǎo)體行業(yè)演進(jìn)到130nm或65nm 節(jié)點(diǎn)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(huán)時鐘IC 芯片，可以實(shí)現(xiàn)多鎖相環(huán)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(yīng)用，也可用作抖動濾除功能實(shí)現(xiàn)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(jìn)行倍頻以產(chǎn)生各種不同頻率的輸出，若參考時鐘為本地振蕩器或內(nèi)部集成時，也稱為時鐘發(fā)生器（Clock Generator）。根據(jù)應(yīng)用場景的不同，目前集成IC 內(nèi)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(diào)諧范圍更寬、功耗更低，而且芯片面交更小等，被大量應(yīng)用在對集成度要求較高的應(yīng)用場景，而LC 振蕩器具有品質(zhì)因數(shù)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指標(biāo)有較高要求的通信、醫(yī)療等領(lǐng)域。

　　當(dāng)時鐘器件作為時鐘合成器應(yīng)用時，環(huán)路帶寬通常是在100KHz~400KHz 左右，根據(jù)具體應(yīng)用場景，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(fèi)類終端產(chǎn)品應(yīng)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(shù)消費(fèi)類產(chǎn)品的應(yīng)用需求。

　　圖10 CDCE706 時鐘合成器的輸出抖動性能

　　在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，往往需要高抖動性能的時鐘發(fā)生器，如均值抖動指標(biāo)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(nèi)部的壓控振蕩器長期穩(wěn)定性較差，相應(yīng)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(jīng)內(nèi)部高頻鎖相環(huán)電路實(shí)現(xiàn)頻率倍頻和頻率轉(zhuǎn)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(biāo)最優(yōu)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(dāng)輸入噪聲較大時，無法滿足系統(tǒng)時鐘的設(shè)計(jì)規(guī)格，此時可以采用抖動濾除器件對輸入時鐘信號進(jìn)行噪聲濾除，實(shí)現(xiàn)時鐘同步的基礎(chǔ)上輸出低抖動的時鐘信號，以滿足系統(tǒng)抖動的應(yīng)用要求。根據(jù)前面對鎖相環(huán)噪聲特性分析，抖動濾除器為了實(shí)現(xiàn)對輸入時鐘噪聲的濾除功能，必須要用較窄的環(huán)路帶寬，如幾十Hz 到幾百Hz。

　　對于抖動濾除器件，多數(shù)應(yīng)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(huán)輸出優(yōu)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(chǎn)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(huán)和高性能VCO 的時鐘器件，如前面提到的CDCM6208、LMK03806 等，也可以實(shí)現(xiàn)抖動濾除的功能，圖14 是CDCM6208 作為抖動濾除功能應(yīng)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(huán)路帶寬為60Hz。