相位噪聲處理：時(shí)鐘抖動(dòng)或結(jié)束時(shí)鐘抖動(dòng)的最佳方法是什么？資料下載

作者： Silicon Labs 在本單元秒懂時(shí)鐘系列——噪聲源時(shí)鐘樹第1部分案例，我們將超越原型或“標(biāo)準(zhǔn)”時(shí)鐘樹。我將對(duì)添加抖動(dòng)衰減器的動(dòng)機(jī)及其對(duì)時(shí)鐘樹抖動(dòng)估計(jì)的影響進(jìn)行討論，所以讓我們開始吧。 準(zhǔn)時(shí)鐘樹 板級(jí)時(shí)鐘樹或時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò)，例如數(shù)據(jù)中心應(yīng)用，通常用晶體或低抖動(dòng)XO（晶體振蕩器）來描述，其連接到時(shí)鐘發(fā)生器，后跟一個(gè)或多個(gè)緩沖器，如下所示。這就是我所說的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘樹： 在該示例中，時(shí)鐘樹的根或源是低抖動(dòng)XO，其總體上確定時(shí)鐘樹的頻率穩(wěn)定性。緊接著，時(shí)鐘發(fā)生器將輸入頻率從XO縮放到幾個(gè)不同（通常更高）的輸出頻率。最后，時(shí)鐘緩沖器采用這些輸出頻率之一并產(chǎn)生具有相同頻率的多個(gè)輸出時(shí)鐘。圖中的彩色箭頭表示不同的時(shí)鐘頻率。 我們可以通過應(yīng)用個(gè)別貢獻(xiàn)的正方形的RSS或根和來估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘樹的總時(shí)鐘相位抖動(dòng)或結(jié)束時(shí)鐘相位抖動(dòng)。（這與用于機(jī)械公差和其他誤差或不確定性的級(jí)聯(lián)統(tǒng)計(jì)分析的正交數(shù)學(xué)相同。） 對(duì)于上面的示例，我們可以估計(jì)總RMS相位抖動(dòng)為： 請(qǐng)注意，要使此計(jì)算有效，必須滿足以下幾個(gè)先決條件： 1、相位抖動(dòng)貢獻(xiàn)應(yīng)該是不相關(guān)的。 2、每個(gè)相位抖動(dòng)貢獻(xiàn)必須在相同的抖動(dòng)帶寬上進(jìn)行集成，例如， 12 kHz至20 MHz。 3、最后，時(shí)鐘樹中的每個(gè)器件都是相關(guān)時(shí)鐘的寬帶。 抖動(dòng)轉(zhuǎn)移vs抖動(dòng)發(fā)生vs附加抖動(dòng) 上面的最后一個(gè)聲明意味著與輸入時(shí)鐘相位噪聲相比，只要時(shí)鐘發(fā)生器的帶寬足夠?qū)?，那么我們就不需要考慮時(shí)鐘發(fā)生器的抖動(dòng)轉(zhuǎn)移。你可能還記得，抖動(dòng)轉(zhuǎn)移或抖動(dòng)衰減可測(cè)量輸出時(shí)鐘抖動(dòng)與輸入時(shí)鐘抖動(dòng)的關(guān)系。這通常寫為抖動(dòng)傳遞函數(shù)或JTF。PLL的JTF用作輸入抖動(dòng)的低通濾波器，是PLL帶寬的函數(shù)。 抖動(dòng)生成是指器件的固有抖動(dòng)。在時(shí)鐘發(fā)生器的情況下，它是在應(yīng)用理想（無抖動(dòng)）輸入時(shí)鐘時(shí)的輸出抖動(dòng)的度量。基于PLL的時(shí)鐘器件即使具有完美的輸入時(shí)鐘，仍具有PFD（相位頻率檢測(cè)器）路徑噪聲和固有相位噪聲源VCO。因此抖動(dòng)生成項(xiàng)是需要的。 相比之下，僅由放大器和可能的分頻器組成的時(shí)鐘緩沖器將始終為任何輸入時(shí)鐘提供額外的噪聲。因此使用術(shù)語加性抖動(dòng)。 噪聲來源案例 上述的示例規(guī)范時(shí)鐘樹假定如在典型應(yīng)用中的低噪聲時(shí)鐘，然而，并非所有時(shí)鐘樹都具有低噪聲時(shí)鐘源。 是什么將源時(shí)鐘歸類為相對(duì)較低或較高的噪聲呢？讓我們暫時(shí)忽略后續(xù)時(shí)鐘緩沖器，只是比較XO的抖動(dòng)生成與時(shí)鐘發(fā)生器的抖動(dòng)生成。如果它們完全相同，則總抖動(dòng)將增加SQRT（2）或?qū)嵸|(zhì)上的41%。如果我們選擇增加10%的通常工程慣例來表示重要性，那么我們可以退出——因?yàn)檫@時(shí)XO的相位抖動(dòng)應(yīng)該小于時(shí)鐘發(fā)生器相位抖動(dòng)的46％。換句話說，源抖動(dòng)必須接近時(shí)鐘發(fā)生器抖動(dòng)的一半，以顯著增加輸出時(shí)鐘抖動(dòng)。 噪聲（抖動(dòng)）時(shí)鐘可以是來自串行數(shù)據(jù)的恢復(fù)時(shí)鐘或來自FPGA。電路板也許本身正在向XO引入電源噪聲。緊接著這樣的時(shí)鐘樹表現(xiàn)如下圖所示。此處顯示的波形比上圖中的波形更粗，表明抖動(dòng)更高。 即使對(duì)于噪聲源時(shí)鐘，我們?nèi)匀豢梢詰?yīng)用RSS估計(jì)。但是，對(duì)于典型的時(shí)鐘分配應(yīng)用，通常產(chǎn)生的抖動(dòng)太高。那么什么是我們的來源？ 抖動(dòng)衰減器的應(yīng)用 在這些應(yīng)用中，我們需要添加一個(gè)抖動(dòng)衰減器來清除源時(shí)鐘噪聲并改善時(shí)鐘樹抖動(dòng)性能。下圖說明了我們?cè)谠肼旻PGA源時(shí)鐘和時(shí)鐘發(fā)生器之間插入抖動(dòng)衰減器的基本思路?，F(xiàn)在后抖動(dòng)衰減器以及時(shí)鐘樹的其余部分看起來像標(biāo)準(zhǔn)情況。但是請(qǐng)注意，在實(shí)際應(yīng)用中，單個(gè)器件通常執(zhí)行抖動(dòng)衰減器和時(shí)鐘發(fā)生器縮放這些功能。 與時(shí)鐘發(fā)生器一樣，抖動(dòng)衰減器是基于PLL的器件，其JTF充當(dāng)輸入抖動(dòng)的低通濾波器。然而，與時(shí)鐘發(fā)生器不同，抖動(dòng)衰減器是相對(duì)窄的帶寬器件，而不是輸入時(shí)鐘相位噪聲。這違反了使用RSS估算方法的先決條件之一。那么，計(jì)算抖動(dòng)衰減器輸出時(shí)鐘的預(yù)期相位抖動(dòng)以及擴(kuò)展總時(shí)鐘抖動(dòng)或結(jié)束時(shí)鐘抖動(dòng)的最佳方法是什么？ 相位噪聲處理系統(tǒng)——時(shí)鐘樹 在工程領(lǐng)域，我們通常會(huì)分析和測(cè)量頻域中系統(tǒng)的性能。時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò)，也稱時(shí)鐘樹，它也不例外。時(shí)鐘的主要屬性是其頻率，RMS相位抖動(dòng)量是從相位噪聲數(shù)據(jù)中集合而來。毫無疑問，分析時(shí)鐘樹更好和更嚴(yán)格的方法通常是在頻域中。 事實(shí)上，從源頭通過抖動(dòng)衰減器，時(shí)鐘發(fā)生器或乘法器以及緩沖器到時(shí)鐘信號(hào)或目標(biāo)的時(shí)鐘信號(hào)被視為最佳的處理相位噪聲系統(tǒng)（“一個(gè)人的噪聲是另一個(gè)人的信號(hào)”為例）。 特別是抖動(dòng)衰減器的應(yīng)用只能通過在頻域中工作才能很好地理解。JTF可以簡(jiǎn)單地通過PLL帶寬和感興趣的抖動(dòng)帶寬中的預(yù)期衰減來建模。在每個(gè)相位噪聲偏移頻率f，我們根據(jù)JTF形成的輸入時(shí)鐘相位噪聲計(jì)算輸出時(shí)鐘相位噪聲，并且與抖動(dòng)生成相位噪聲貢獻(xiàn)正交相加。然后，我們可以檢查所產(chǎn)生的集成相位抖動(dòng)是否滿足所需的抖動(dòng)性能。 我將更詳細(xì)地討論如何執(zhí)行此操作，并在下一篇文章“噪聲源時(shí)鐘樹第2部分的案例”中提供測(cè)量和電子表格示例。? (mbbeetchina)