教你如何在如何對(duì)時(shí)鐘抖動(dòng)衰減測(cè)試設(shè)置

作者：Kevin Smith, Silicon Labs

您好，歡迎來(lái)到Timing 101秒懂時(shí)鐘系列技術(shù)文章，本系列文章為Silicon Labs（亦稱“芯科科技”）時(shí)鐘技術(shù)專家特別開(kāi)辟的專欄。我們的目標(biāo)是介紹和綜述應(yīng)用定時(shí)組件或IC（也稱為“時(shí)鐘芯片”）方面的技術(shù)主題。時(shí)鐘芯片通過(guò)時(shí)鐘波形傳送頻率和相位信息，并且在某些情況下可以分組化定時(shí)信息。

在這篇文章中將介紹一個(gè)常見(jiàn)的設(shè)置測(cè)量的狀況，當(dāng)最初使用抖動(dòng)衰減器時(shí)，其測(cè)試結(jié)果可能是意想不到的。首先綜述一些必要的背景材料，然后展示問(wèn)題及其根本原因，最后提出改進(jìn)的測(cè)試設(shè)置。

簡(jiǎn)而言之，時(shí)鐘是具有用于在同步數(shù)字系統(tǒng)中采樣數(shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)電平的周期性信號(hào)。換句話說(shuō)，時(shí)鐘提供了在同步數(shù)字電路或系統(tǒng)中采樣和順序處理數(shù)據(jù)所需的“心跳”或節(jié)奏。它們通常但不總是在50％或近50％的占空比。

理想時(shí)鐘將提供完美的指定頻率和相位來(lái)優(yōu)化此過(guò)程。然而，實(shí)際的時(shí)鐘具有定時(shí)抖動(dòng)，其可以被定義為時(shí)鐘邊沿與其理想值的短期變化。關(guān)心同步數(shù)字系統(tǒng)的時(shí)鐘抖動(dòng)的一個(gè)原因是它可以進(jìn)入定時(shí)裕度，從而影響數(shù)據(jù)的可靠性和有效性。

還有一個(gè)對(duì)應(yīng)于抖動(dòng)的頻域：相位噪聲。相位噪聲測(cè)量時(shí)鐘的隨機(jī)短期相位波動(dòng)。這表明時(shí)鐘的純度。

簡(jiǎn)而言之，這里有一個(gè)L（f）的圖。顯示了在載波頻率偏移的情況下，一相調(diào)制邊帶的噪聲功率與載波功率的關(guān)系。例如，在100kHz時(shí)為-70dBc / Hz，在20MHz下為-150dBc / Hz。 dBc / Hz單位是指相對(duì)于每赫茲帶寬的載波功率的功率（dB）。相位噪聲通常使用相位噪聲分析儀或具有相位噪聲選項(xiàng)的頻譜分析儀進(jìn)行測(cè)量。

通常在同一圖上顯示的是非隨機(jī)的短期時(shí)鐘相位波動(dòng)，稱為spurs或spurious。這些spurious，表示為分立組件，單位為dBc。

與其他系統(tǒng)分析一樣，我們通常會(huì)發(fā)現(xiàn)在頻域中更容易理解時(shí)鐘設(shè)備和時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò)或時(shí)鐘樹(shù)。

必須使用，或至少?gòu)南鄬?duì)噪聲大或抖動(dòng)的時(shí)鐘開(kāi)始的工作并不罕見(jiàn)。這些可能出于許多原因。例如，當(dāng)時(shí)鐘是：

·從串行數(shù)據(jù)流中恢復(fù)

·源自噪聲大的IC，如FPGA或噪聲大的PC板

·衍生自TCXO或OCXO，具有良好的漂移規(guī)格，否則會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)

·“間隙”，意味著為了同步的目的缺少邊緣

在這種情況下，我們需要一種特定類型的時(shí)鐘器件，抖動(dòng)衰減器或“抖動(dòng)清除器”來(lái)衰減或最小化相位噪聲并超出感興趣的偏移頻率。然后將所得到的輸出時(shí)鐘分配到需要改進(jìn)抖動(dòng)性能的設(shè)備。

抖動(dòng)衰減器的特征在于它們本質(zhì)上是具有“低通”抖動(dòng)傳遞函數(shù)的窄帶鎖相環(huán)（PLL）。這就是這些器件衰減頻率大于PLL環(huán)路帶寬（BW）的抖動(dòng)分量。現(xiàn)代的抖動(dòng)衰減器通常具有從0.1Hz到高達(dá)1或幾kHz的寬范圍內(nèi)的可編程環(huán)路BW。

相比之下，另一類時(shí)鐘芯片，即時(shí)鐘發(fā)生器，是主要用于從低抖動(dòng)源的時(shí)鐘乘法的寬帶PLL。這些設(shè)備通常具有大約100s kHz到1MHz的固定環(huán)路帶寬。

那么問(wèn)題來(lái)了？客戶經(jīng)常會(huì)和我們聯(lián)系，并寫(xiě)下像我們正在測(cè)試你的一個(gè)時(shí)鐘芯片，并比較輸出時(shí)鐘和輸入時(shí)鐘，但抖動(dòng)很大。我們總是會(huì)發(fā)現(xiàn)，測(cè)試設(shè)置歸結(jié)為如下所示：示波器被抖動(dòng)輸入時(shí)鐘觸發(fā)。

結(jié)果通?？雌饋?lái)與下面所示的相似。在這個(gè)例子中，抖動(dòng)衰減器是一個(gè)Si5347，其環(huán)路BW = 100Hz。頂部的黃色軌跡是輸入時(shí)鐘，該信號(hào)是來(lái)自信號(hào)發(fā)生器的25 MHz正弦波，信號(hào)發(fā)生器采用1 kHz FM，100 Hz偏差。底部的綠色軌跡是輸出時(shí)鐘，只是為了保持簡(jiǎn)單，也是25 MHz。

輸出時(shí)鐘應(yīng)該不那么抖動(dòng)，抖動(dòng)是否衰減？這是抖動(dòng)衰減時(shí)鐘的情況。

考慮到前面所述的測(cè)量設(shè)置，必須有三個(gè)因素來(lái)觀察這個(gè)明顯的問(wèn)題：

1.輸入時(shí)鐘抖動(dòng)。

2.輸出時(shí)鐘抖動(dòng)不大。換句話說(shuō)，抖動(dòng)衰減器正在做它的工作。

3.輸出時(shí)鐘通過(guò)與輸入時(shí)鐘比較由輸入時(shí)鐘觸發(fā)。

現(xiàn)在您應(yīng)該能夠認(rèn)識(shí)到基本的問(wèn)題，即使其隱藏在更復(fù)雜的應(yīng)用程序中。

請(qǐng)注意，如果您在輸出時(shí)鐘上觸發(fā)，那么輸入時(shí)鐘將看起來(lái)抖動(dòng)很大。見(jiàn)下文。哪個(gè)時(shí)鐘出現(xiàn)抖動(dòng)只是一個(gè)觸發(fā)視角的問(wèn)題。在不知道哪個(gè)時(shí)鐘更加不穩(wěn)定的前提下，這種特定的范圍測(cè)量并不是決定性的。

您可以通過(guò)抖動(dòng)衰減器的環(huán)路帶寬來(lái)獲得有關(guān)此特定測(cè)試配置的真實(shí)情況的信息。嘗試縮小和擴(kuò)大BW，然后觀察范圍內(nèi)的結(jié)果。

假設(shè)有一個(gè)抖動(dòng)的輸入時(shí)鐘，你通常應(yīng)該看到，加寬BW使得輸出時(shí)鐘顯示出比輸入時(shí)鐘更小的抖動(dòng)。這是因?yàn)榧訉?/span>BW意味著PLL將更多的跟蹤輸入時(shí)鐘，抖動(dòng)和其他。在下面的圖4中，Si5347的環(huán)路寬度已經(jīng)擴(kuò)大到4 kHz。基本上沒(méi)有抖動(dòng)衰減，與輸入時(shí)鐘相比，輸出時(shí)鐘沒(méi)有顯示出抖動(dòng)。

相反，縮小BW會(huì)使輸出時(shí)鐘與輸入時(shí)鐘相比更加抖動(dòng)。這是因?yàn)檩^窄的環(huán)路BW對(duì)應(yīng)于更多的抖動(dòng)衰減。具有諷刺意味的是，這種測(cè)試配置中的抖動(dòng)衰減器是非常成功的，這是問(wèn)題的根本原因。如果輸出時(shí)鐘只是跟蹤輸入時(shí)鐘，則觸發(fā)源將是無(wú)關(guān)緊要的。在下圖中，Si5347的環(huán)路寬度被縮小到100 Hz。

抖動(dòng)衰減時(shí)鐘通常不同于其抖動(dòng)輸入時(shí)鐘，高于和超出任何頻率縮放。如果其頻譜發(fā)生明顯變化，則在測(cè)量和比較每個(gè)時(shí)鐘的相位噪聲時(shí)應(yīng)該相對(duì)明顯。然而，如前所述，這需要專門的設(shè)備，如相位噪聲分析儀或具有相位噪聲選項(xiàng)的頻譜分析儀。

如果你有一個(gè)范圍，那么同時(shí)比較抖動(dòng)輸入和抖動(dòng)衰減輸出時(shí)鐘的更好方法是什么？找到仲裁的第三方。換句話說(shuō)，找到或生成與抖動(dòng)參考時(shí)鐘相關(guān)的整數(shù)，并且與輸入和輸出時(shí)鐘同步。然后使用其作為輸入和輸出時(shí)鐘的觸發(fā)的參考。請(qǐng)參見(jiàn)下圖中修訂的測(cè)試設(shè)置圖。現(xiàn)在，您可以在時(shí)域中同時(shí)明確比較輸入和輸出時(shí)鐘的抖動(dòng)。

以下是幾個(gè)示例圖，其中所有示波器走線如前所述為25 MHz。頂部的黃色軌跡是抖動(dòng)（調(diào)頻）輸入時(shí)鐘，中間的綠色軌跡是抖動(dòng)衰減器的輸出時(shí)鐘。底部的藍(lán)色軌跡是用作觸發(fā)的新的低抖動(dòng)參考時(shí)鐘。首先，在下圖中，抖動(dòng)衰減器的環(huán)路BW為4 kHz，輸出時(shí)鐘像輸入時(shí)鐘一樣抖動(dòng)。

在第二種情況下，在下圖中，抖動(dòng)衰減器的環(huán)路BW為100 Hz，輸出時(shí)鐘的抖動(dòng)要小得多。在這個(gè)特定的例子中，當(dāng)環(huán)路BW從4 kHz降低到100 Hz時(shí)，抖動(dòng)衰減時(shí)鐘周期與周期抖動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差從8.2 ps下降到1.1 ps。