【導讀】通過(guò)為系統組件確定步調，時(shí)鐘振蕩器為現代電路提供定時(shí)。隨著(zhù)系統速度提高到數百 MHz 或更高，這些時(shí)鐘必須更快并具有極低的抖動(dòng)，通常低于 100 飛秒 (fs)，以保持系統性能。這些時(shí)鐘還必須長(cháng)期保持低抖動(dòng)規格，且不受溫度和電壓的影響。
通過(guò)為系統組件確定步調，時(shí)鐘振蕩器為現代電路提供定時(shí)。隨著(zhù)系統速度提高到數百 MHz 或更高，這些時(shí)鐘必須更快并具有極低的抖動(dòng)，通常低于 100 飛秒 (fs)，以保持系統性能。這些時(shí)鐘還必須長(cháng)期保持低抖動(dòng)規格，且不受溫度和電壓的影響。
某些抖動(dòng)是由信號路徑噪聲和失真引起的，使用重復時(shí)鐘和重定時(shí)技術(shù)可以在一定程度上減少抖動(dòng)。不過(guò)，抖動(dòng)也是由時(shí)鐘源產(chǎn)生的，時(shí)鐘源通常是振蕩器。這是由于各種物理現象造成的，包括熱噪聲、工藝缺陷、電源噪聲、進(jìn)入時(shí)鐘振蕩器的其他外部噪聲、材料應力以及許多其他微妙的因素。無(wú)論時(shí)鐘抖動(dòng)的來(lái)源如何，設計人員都必須盡一切可能將固有時(shí)鐘抖動(dòng)降至最低，因為這種缺陷是不可逆轉的。
本文將將從多個(gè)角度討論抖動(dòng)問(wèn)題。然后介紹 Abracon LLC 推出的不同時(shí)鐘振蕩器，并說(shuō)明如何通過(guò)使時(shí)鐘振蕩器的性能與應用相匹配來(lái)最大限度地減少抖動(dòng)。
抖動(dòng)基礎知識
時(shí)鐘抖動(dòng)是指時(shí)鐘邊沿與其理想時(shí)間位置的偏差。這種抖動(dòng)會(huì )影響時(shí)鐘信號確定步調時(shí)的數據信號傳輸的定時(shí)精度和準確性，從而導致在接收器解碼/解調電路或其他系統 IC 端的信噪比 (SNR) 下降。這將造成誤碼率 (BER) 升高，重傳次數增加以及有效數據吞吐量降低。
鑒于其重要性，在通過(guò)電纜、連接器或電路板將信號從發(fā)射源傳遞到接收器的系統中對時(shí)鐘抖動(dòng)進(jìn)行了廣泛的分析。根據不同的應用，可以采用多種方式對時(shí)鐘抖動(dòng)進(jìn)行表征，包括周期對周期抖動(dòng)、周期抖動(dòng)和長(cháng)期抖動(dòng)（圖 1）。
圖 1：術(shù)語(yǔ)“抖動(dòng)”包含許多定時(shí)變化，包括周期到周期抖動(dòng)、周期抖動(dòng)和長(cháng)期抖動(dòng)。（圖片來(lái)源：VLSI Universe）
· 周期到周期抖動(dòng)表示連續兩個(gè)連續周期內的時(shí)鐘周期的變化，與頻率隨時(shí)間的變化無(wú)關(guān)。
· 周期抖動(dòng)是指任何時(shí)鐘周期相對于其平均周期的偏差。它是理想時(shí)鐘周期與實(shí)際時(shí)鐘周期之差，可規定為均方根 (RMS) 周期抖動(dòng)或峰峰周期抖動(dòng)。
· 長(cháng)期抖動(dòng)是指時(shí)鐘邊沿在較長(cháng)時(shí)間內與其理想位置偏離。這有點(diǎn)類(lèi)似于漂移。
抖動(dòng)會(huì )破壞用于恢復低 BER 數據的其他子功能、組件或系統所使用的定時(shí)，或者破壞用于步調組件的定時(shí)，如同步系統中的存儲器元件或處理器。從圖 2 的眼圖中可以看出，比特定時(shí)的交叉點(diǎn)擴大了。
圖 2：在眼圖中，抖動(dòng)被視為數據流中的關(guān)鍵定時(shí)交叉點(diǎn)在擴大。（圖片來(lái)源：Kevin K. Gifford/Univ.of Colorado）
對于串行數據鏈路，接收端的電路必須嘗試重新建立自己的時(shí)鐘，以?xún)?yōu)化數據流解碼。為此，該電路必須同步并鎖定源時(shí)鐘，通常使用鎖相環(huán) (PLL)。抖動(dòng)會(huì )影響系統精確實(shí)現這一目標的能力，從而削弱系統以較低 BER 恢復數據的能力。
請注意，可在時(shí)域和頻域中測量抖動(dòng)；兩者都是對同一現象的有效觀(guān)察。相位噪聲是振蕩器信號周?chē)肼曨l譜的頻域視圖，而抖動(dòng)則是振蕩器周期定時(shí)精確性的時(shí)域測量。
可用多種方式表示抖動(dòng)測量。通常使用時(shí)間單位，如“10 皮秒 (ps) 抖動(dòng)”。均方根 (RMS) 相位抖動(dòng)是一個(gè)時(shí)域參數，由相位噪聲（頻域）測量得出。抖動(dòng)有時(shí)也被稱(chēng)為相位抖動(dòng)，這可能會(huì )引起混淆，但它仍然是時(shí)域抖動(dòng)參數。
隨著(zhù)鏈路工作頻率及其時(shí)鐘從幾十 MHz 加速到幾百 MHz 或更高，時(shí)鐘源的允許抖動(dòng)會(huì )降低到大約 100 fs 或更低。這些頻率適用于光模塊、云計算、網(wǎng)絡(luò )和高速以太網(wǎng)，所有這些都是要求載波頻率介于 100 MHz 和 212/215 MHz 之間并具有高達 400 Gbps 數據傳輸速率的功能、應用。
管理晶體
采用石英晶體振蕩器是創(chuàng )建穩定、一致且具有精確頻率的時(shí)鐘信號的最常見(jiàn)方法。相關(guān)的振蕩電路為晶體提供支持。有許多此類(lèi)電路系列，且每個(gè)系列都有不同的權衡方案。自 20 世紀 30 年代以來(lái)，晶體一直被用于中頻（300 kHz 至 3 MHz）和高頻（3 MHz 至 30 MHz）射頻頻段的無(wú)線(xiàn)電通信。
一種廣泛用來(lái)生成低抖動(dòng)時(shí)鐘的方法是某一種基于 PLL 架構變體，這些變體有許多種。例如，Abracon 的 AX5 和 AX7 ClearClock? 系列器件分別采用 5 × 3.2 mm 和 5 × 7 mm 封裝、先進(jìn)的 PLL 技術(shù)，且具有卓越的低抖動(dòng)性能（圖 3）。
圖 3：Abracon AX5 和 AX7 時(shí)鐘振蕩器采用了眾多基于 PLL 的設計中的某一種，但經(jīng)過(guò)了微妙的改進(jìn)，以最大限度地減少抖動(dòng)。（圖片來(lái)源：Abracon）
除工作頻率和振蕩器設計外，抖動(dòng)性能還受到振蕩器核心石英晶體物理尺寸的影響。隨著(zhù)晶體尺寸的減小，獲得出色的 RMS 抖動(dòng)性能就變得更具挑戰性。
對于頻段為 100 MHz 至 200 MHz 頻段且外形小于基于 PLL 的 AX5 和 AX7 器件的時(shí)鐘解決方案，則需要一種新型振蕩器架構。這類(lèi)對較小尺寸的要求通常與最新一代的光收發(fā)器和模塊有關(guān)。設計 100 MHz 至 200 MHz 范圍內的時(shí)鐘振蕩器有四種既定方法：
1、使用石英振蕩器，以倒置 MESA 石英坯片作為諧振元件
2、使用石英振蕩器，以第三次泛音石英坯片作為諧振元件
3、使用基于 50 MHz 以下第三泛音/基諧模式石英坯片或 50 MHz 以下溫度補償晶體振蕩器，并與整數或分數模式 PLL 集成電路匹配而成的振蕩器回路
4、使用基于 50 MHz 以下的基于微機電系統 (MEMS) 諧振器并與整數或分數模式 PLL IC 匹配而成的振蕩器環(huán)路
方案 1 既不能提供最佳 RMS 有效值抖動(dòng)性能，也不是最具性?xún)r(jià)比的解決方案。方案 3 變得復雜且存在性能缺陷，而方案 4 的 MEMS 諧振器方法則無(wú)法滿(mǎn)足最大 200 fs RMS 抖動(dòng)的主要性能指標。相比之下，方案 2 使用最優(yōu)設計型第三次泛音石英坯片，并考慮了電極的幾何形狀和切割角度的優(yōu)化。這種組合在成本、性能和尺寸方面都達到了最佳效果。
利用這種方法，Abracon 開(kāi)發(fā)了“第三次泛音”ClearClock 解決方案（圖 4）。這款器件采用了一種更安靜的架構，在小至 2.5 × 2.0 × 1.0 mm 的微型封裝中實(shí)現了卓越的超低 RMS 抖動(dòng)性能和極高的能效。
圖 4：Abracon 的“第三次泛音”ClearClock 解決方案采用更安靜的架構，以提高整體性能和能效。（圖片來(lái)源：Abracon）
在這一方案中，經(jīng)過(guò)精心設計的第三次泛音晶體坯片以及對所需載波信號進(jìn)行的適當濾波和“捕獲”，確保了在所需載波頻率下具有出色的 RMS 抖動(dòng)性能。
該架構沒(méi)有使用典型的 PLL 方法，因此不存在上變頻。因此，無(wú)需進(jìn)行標準 PLL 小數或整數乘法，且最終輸出頻率與第三次泛音石英晶體的諧振頻率一一對應。由于沒(méi)有小數或整數乘法，因此簡(jiǎn)化了設計并能以盡可能小的尺寸實(shí)現最小的抖動(dòng)。
規格和實(shí)際性能
時(shí)鐘振蕩器不只是一個(gè)晶體及其模擬電路。時(shí)鐘振蕩器包括緩沖功能，以確保振蕩器輸出負載及其短期和長(cháng)期變化均不會(huì )影響設備的性能。時(shí)鐘振蕩器還支持各種差分數字邏輯輸出電平，以實(shí)現電路兼容性。這種兼容性無(wú)需外部邏輯電平轉換 IC。這種 IC 會(huì )增加成本、占地面積和抖動(dòng)。
由于時(shí)鐘振蕩器在許多不同的應用中使用不同的電源軌電壓，因此必須提供各種電源電壓，如 +1.8 V、+2.5 V 或 +3.3 V，以及通常在 2.25 V 至 3.63 V 之間的定制值。時(shí)鐘振蕩器還必須提供不同的輸出格式選擇，如低壓正/偽發(fā)射極耦合邏輯 (LVPECL) 和低壓差分信號 (LVDS) 以及其他格式。
通過(guò)對 AK2A 和 AK3A 這兩個(gè)系列的晶體時(shí)鐘振蕩器的了解，我們可以看到通過(guò)對材料、設計、結構和測試的深入理解和整合所能達到的效果。這兩個(gè)系列很相似，主要區別在于其尺寸和最大頻率。
AK2A 系列：該系列晶體振蕩器的標稱(chēng)頻率為 100 MHz 至 200 MHz，工作電壓為 2.5 V、3.3 V 和 2.25 V 至 3.63 V，具有 LVPECL、LVDS 和 HCSL 差分輸出邏輯。
該系列的所有器件都性能相似，包括具有低 RMS 抖動(dòng)。例如，AK2ADDF1-100.000T 是一款頻率為 100.00 MHz、電壓為 3.3 V 的器件，提供 LVDS 輸出且 RMS 抖動(dòng)為 160.2 fs（圖 5）。其頻率穩定性極佳，在不同溫度下的穩定性?xún)?yōu)于 ±15 ppm，采用六引線(xiàn)表面貼裝器件 (SMD) 封裝，尺寸為 2.5 × 2.0 × 1.0 mm。
圖 5：AK2ADDF1-100.000T 的抖動(dòng)為 160 fs，這是一款 3.3 V、100 MHz 器件，提供 LVDS 輸出。（圖片來(lái)源：Abracon）
然而，隨著(zhù)時(shí)鐘頻率的提高，抖動(dòng)必須減少，以保持系統級性能。對于 156.25 MHz LVDS 振蕩器 AK2ADDF1-156.2500T，其典型 RMS 抖動(dòng)降至 83 fs。
AK3A 系列：AK3A 系列器件比 AK2A 系列器件略大，具體尺寸為 3.2 × 2.5 × 1.0 mm（圖 6）?？商峁┲付l率為 212.5 MHz 的版本，略高于 AK2A 系列的 200 MHz 限制。
圖 6：AK3A（右）晶體振蕩器比 AK2A 系列（左）稍長(cháng)、稍寬；包括頻率最高可達 212.5 MHz 的版本，而 AK2A 為 200 MHz。（圖片來(lái)源：Abracon）
該 AK3A 器件的總體規格與相應的 AK2A 系列器件相似。例如，AK3ADDF1-156.2500T3 是一款 156.25 MHz LVDS 振蕩器，其典型 RMS 抖動(dòng)為 81 fs，略好于 AK2A 系列的相應器件。
這兩個(gè)系列的抖動(dòng)因工作頻率、工作電壓、封裝尺寸和輸出選擇而各不相同。
其他的現實(shí)考慮因素
時(shí)鐘振蕩器只在出廠(chǎng)時(shí)符合規格要求是遠遠不夠的。與所有元件一樣，尤其是模擬和無(wú)源元件，這些振蕩器會(huì )因組成材料的老化和內部應力而隨隨時(shí)間的推移發(fā)生漂移。
這些現實(shí)情況對高性能時(shí)鐘振蕩器尤其具有挑戰性，因為沒(méi)有一種簡(jiǎn)單或方便的方法通過(guò)添加軟件或巧妙的電路來(lái)糾正或補償這種漂移。不過(guò)，有一些方法可以減輕漂移影響。這包括最終用戶(hù)為加速振蕩器老化而進(jìn)行的長(cháng)時(shí)間預燒，或在爐控外殼中使用溫度穩定的振蕩器。前者耗時(shí)長(cháng)，對供應鏈構成挑戰，后者體積大、成本高、耗電量大。
由于認識到老化是一個(gè)關(guān)鍵參數，Abracon 的 ClearClock 系列產(chǎn)品在整個(gè)最終產(chǎn)品壽命（10 至 20 年）內都具有嚴格、全面的頻率精度。Abracon 確保在此期間頻率穩定性?xún)?yōu)于 ±50 ppm。為此，我們精心選擇、制造了第三次泛音晶體，并進(jìn)行了調節，使其在 -20°C 至 +70°C 范圍內的穩定度達到 ±15 ppm，在 -40°C 至 +85°C 范圍內的穩定性達到 ±25 ppm。
工程設計總是需要權衡利弊。Abracon 的 AK2A 和 AK3A 系列采用了新一代（第二代）振蕩器 ASIC，與前代產(chǎn)品相比（分別為第一代 AK2 和 AX3），其抖動(dòng)噪聲性能有所提高，從而確保了超低的 RMS 抖動(dòng)性能。
這一改進(jìn)的代價(jià)是功耗略有增加。最大電流消耗從第一代的 50 mA增加到第二代的 60 mA，但低壓器件的電流消耗僅為第一代的一半左右。因此，第二代 ClearClock 振蕩器在保持低功耗的同時(shí)，還能提供超低的 RMS 抖動(dòng)。
結束語(yǔ)
定時(shí)振蕩器是數據鏈路或時(shí)鐘功能的核心，其精度、抖動(dòng)和穩定性是實(shí)現所需的系統級性能（包括高 SNR 和低 BER）的關(guān)鍵參數。通過(guò)創(chuàng )新型材料選擇和架構，可以實(shí)現更高的時(shí)鐘頻率，以滿(mǎn)足行業(yè)及其各種標準所要求的嚴格的性能規范。Abracon AK2A 和 AK3A 系列采用每邊僅幾 mm 的 SMD 封裝，在 100 MHz 至 200 MHz 范圍內的抖動(dòng)低于 100 fs。
(作者：Bill Schweber)
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