該應用筆記提出了超低抖動時鐘合成器的一種設(shè)計思路,，其目標是產(chǎn)生2GHz時鐘時，邊沿之間的抖動< 100fs,。分析和仿真結(jié)果表明,，要達到這一抖動指標，設(shè)計難度遠遠高于預期,。關(guān)于元器件變量和折衷方案的討論為進一步的研究提供了線索,。  

　　概述

　　本文為高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器提供了一個低抖動時鐘源的參考設(shè)計，目標是在時鐘頻率高達2GHz時,，邊沿間抖動< 100fs,。對于1GHz模擬輸出頻率，所產(chǎn)生的抖動信噪比SNR為：-20 × log(2 × π × f × tj) = -64dB,?！　?nbsp;

　　設(shè)計需求

　　時鐘設(shè)計的最高頻率為2GHz，然而，一些VCO (壓控振蕩器)和預分頻器能夠?qū)⑵鋽U展到更高頻率,，且不同器件能夠擴展的范圍也不盡相同,。這里介紹的參考設(shè)計、仿真測試和結(jié)果只針對2GHz輸出頻率,。

　　一些高速轉(zhuǎn)換器采用時鐘信號的兩個沿作為內(nèi)部定時,。這就要求嚴格的50%占空比。另外,，目標輸出驅(qū)動能力是10dBm/50Ω，即2VP-P差分輸出,?！　?nbsp;

　　合成器設(shè)計基礎(chǔ)

鎖相環(huán)" p="" src="http://files.chinaaet.com/images/20110708/207b8e91-3941-45b2-aab5-eb79219d5b20.jpg" title="鎖相環(huán)" />

圖1. 傳統(tǒng)鎖相環(huán)

　　最簡單的設(shè)計是傳統(tǒng)的鎖相環(huán)電路，如圖1,。如上所述,，要求嚴格的50%占空比。因此,，VCO工作在目標時鐘的兩倍頻(4GHz),，然后通過2分頻獲得目標頻率和占空比。由于分頻器會引入抖動,，所以將其置于鎖相環(huán)環(huán)路以消除噪聲,。

　　環(huán)路濾波器提供對參考噪聲的低通濾波和VCO噪聲的高通濾波。同時,，它也決定了環(huán)路建立時間,。由于這是固定頻率應用，環(huán)路建立時間不存在問題,；濾波器帶寬可只對噪聲進行優(yōu)化,。窄帶濾波器更容易處理參考噪聲，但增加了VCO的噪聲負擔,，寬帶濾波器的效果則相反,。

　　雖然我們需要在VCO和參考時鐘兩者之間進行平衡，通過對兩者的研究表明,，同時獲得兩者的最佳性能是可能的,。100fs抖動的相噪指標決定了噪聲將有多低。

　　相噪是相對于載頻的指標,，反比于頻偏(dBc/Hz),。所有相噪的集合就是相噪功率，它用來和基頻功率相比較,。相噪除以基頻功率得到抖動,。

　　例如，假設(shè)2GHz VCO在10kHz到100kHz內(nèi)具有-110dBc/Hz的SSB (單邊帶)相噪,，其帶寬為90kHz,，結(jié)果為49.5dB,。所以，總噪聲為-60.5dBc,。SSB噪聲功率為：

　　所以,，噪聲電壓有效值為：

　　根號里的系數(shù)2代表包括了兩個單邊帶¹。

　　其抖動為：

　　式3只得出了10kHz至100kHz頻偏的抖動,，為了確定整體抖動,，還要考慮其余頻偏。

　　另一種方法是,，我們從抖動倒推相噪,。于是，對于2GHz時100fs的抖動：

　　SSB噪聲功率為：

　　式5結(jié)果等效于-61dBc的總噪聲功率(SSB),。如果假定相噪在1Hz到10MHz均勻分布,，那么，換算成dBc/Hz,，得到以下相噪模板(圖2),。

圖2. 相噪模板

　　毫無疑問，2GHz下抖動< 100fs是一個非常不錯的相噪值,，特別是在10kHz至100kHz范圍內(nèi),。從圖中可以看出，10kHz時的相噪大約為-114dBc/Hz,。但很少有分離²的VCO能夠達到這一水準,，當然，集成VCO也很難達到這一目標,。UMC (Universal Microwave Corporation)的VCO能夠達到這一低噪級別,。UMX系列產(chǎn)品的帶寬為500MHz至5GHz，其10kHz相噪可以達到-112dBc/Hz以下,。即使UMX系列中指標最差的VCO也滿足我們的要求,。

圖3. UMX-806-D16對應于相噪模板的相噪

　　圖3給出了4GHz VCO (UMX-806-D16)最差情況下的相噪和我們的目標相噪模板。該VCO在20kHz以下的相噪很高,，但通過設(shè)計鎖相環(huán)濾波器帶寬可以抑制低頻偏VCO噪聲,。假設(shè)沒有其它因素的影響，可以得到很好的10kHz以上的相噪指標,。請注意,，這些相噪要求來自2GHz振蕩器。然而,，圖3給出的是4GHz振蕩器的曲線,，它需要額外的2分頻來保證50%的占空比。假設(shè)2分頻自身不影響總相噪，將使VCO的相噪降低6dB,，整個曲線平行下移6dB,。

　　請注意，參考時鐘也會產(chǎn)生噪聲,，但多數(shù)分布在環(huán)路濾波器帶寬以下,。圖4給出了Crystek®的80MHz晶體壓控振蕩器的伯特圖和目標相噪模板。注意,，鎖相環(huán)頻率增益將等倍放大參考時鐘的相噪,。因此，對80MHz晶體和2GHz輸出,，其增益為25,。結(jié)果，Crystek曲線將上移28dB,。該平移意味著參考時鐘的相噪在1kHz非常高³,。然而,，相噪模板假定總噪聲功率在頻偏以內(nèi)均勻分布,。當然，情況不一定是這樣,，所以1kHz以外的恒定相噪加上1kHz以內(nèi)的噪聲仍然可以滿足我們的抖動指標,。

圖4. 參考時鐘的相噪

　　圖4的相噪分析還包括了Vectron恒溫控制振蕩器(OCXO)，具有極低相噪,。注意,，OCXO容易消耗更多功率(達到瓦特量級)?！　?nbsp;

　　合成器原理圖

　　圖5是前面討論的參考時鐘和VCO的完整電路原理圖,。PLL采用Fujitsu® MB15E06SR，它集成了4mA電荷泵和最高3GHz的預分頻器,。由于PLL需要編程,，所以我們采用了一個很簡單的PIC微處理器(PIC18F2455)，內(nèi)置USB接口,，可以自動執(zhí)行編程任務(wù),。該設(shè)計需要用軟件編程用戶界面，同時PIC也需要編程,。

　　清晰圖片(PDF, 93.8KB)

圖5. 時鐘合成器原理圖

　　分頻器采用Hittite® HMC361,，它可以工作至10GHz，其相噪對性能影響不大,。然而,，分頻器的輸出擺幅只有0.8VP-P，即50Ω時2dBm。設(shè)計目標是10dBm輸出(2VP-P),，所以Hittite的輸出不能滿足要求,，需要提升電壓。On Semiconductor®或Zarlink®都有類似產(chǎn)品,，但它們的輸出擺幅基本和Hittite相同,，甚至更差。而且,，它們的噪聲指標沒有明確標出,。

　　一個簡單的變壓器可以用來增大低速時鐘的擺幅，但高于2GHz,、可以實現(xiàn)4:1放大的變壓器并不常見,。另外，這種辦法增加了阻抗設(shè)計難度,。另一種方法是采用有源放大器,，可以得到很多帶寬> 10GHz的差分放大器，但還需要進一步確定器件的噪聲指標,，以滿足設(shè)計要求,。另一問題是放大器是否能夠置于PLL，F(xiàn)ujitsu數(shù)據(jù)資料建議最大預分頻輸入為2dBm (1VP-P),?！　?nbsp;

　　仿真結(jié)果

　　ADIsimPLL (由Applied Radio Labs為Analog Devices編寫)可以用來分析該電路，它包括多個UMC的VCO模型,。圖6給出了由不帶分頻器的UMC 4GHz VCO和Crystek振蕩器組成的PLL相噪伯特圖,。2kHz以下，參考時鐘的噪聲占主導地位,；2kHz以上,，鑒相器相噪占主導地位；70kHz以上,，VCO噪聲占主導地位,。

　　圖6包括了圖2的目標噪聲模板(粗黑線)。顯然,，總噪聲在50kHz以下超出了模板,，這將產(chǎn)生200fs的抖動。實際仿真存在一個問題,，即如何解決鑒相器的相噪,。它應該等于特定器件的噪底(-219dBc/Hz)乘以VCO/PFD頻率，即4000MHz/25MHz,，或44dB,，平移118dB,。還需進一步的核查，但即使將PFD (鑒相器)噪聲去除,，該結(jié)果仍然不可接受(167fs),。

圖6. 使用VCO的仿真結(jié)果：4GHz下的相噪

　　除了PFD噪聲，濾波器設(shè)置接近于10kHz時的VCO噪聲峰值,。剩下的主要問題是參考時鐘噪聲,，不幸的是，40kHz以上優(yōu)于模板性能不足以消除該噪聲,。所以,，需要采用其它類型的振蕩器來滿足相噪要求，例如：OCXO,。

　　該設(shè)計的印刷電路板(PCB)可以適用三種或四種不同的XO引腳排列,。圖7給出了采用Vectron OCXO的仿真結(jié)果。即使考慮鑒相器噪聲,，最終的抖動為86.5fs,。該抖動留出一定裕量給沒有考慮的分頻器噪聲(該噪聲應該沒有明顯的負面影響)和可能需要的放大器。

圖7. 使用Vectron OXCO的仿真結(jié)果：4GHz下的相噪

　　結(jié)論

　　2GHz時達到100fs的抖動指標要比我們預計的更難實現(xiàn),。實驗數(shù)據(jù)表明,，利用一些標準的PLL電路可以達到這一目標。關(guān)鍵在于VCO和參考時鐘的選擇,。實驗證明,，UMX的VCO具有一流的相噪性能,。剩下的兩個難題是：(1)選擇噪聲足夠低的參考時鐘,；(2)選擇合適的放大器。幸運的是,，我們有很多器件可供選擇,，同樣的電路布局可以適用于不同型號的引腳排列。放大器的選擇比較困難,，需要進一步分析以確定是否可以將其置于環(huán)路,，還需考慮其噪聲的影響?！　?/p>

　　¹考慮到兩個單邊帶,，文中在根號的內(nèi)外均包含了系數(shù)2?？偟脑肼暪β蕿镾SB噪聲功率的2倍,，因此總的噪聲電壓應當?shù)扔赟SB噪聲電壓。

　　²指的是單個元件,，而不是模塊,。

　　³在1MHz附近具有很高的相位噪聲,，但是環(huán)路濾波器有助于衰減該噪聲。