【導讀】通過為系統組件確定步調，時鐘振蕩器為現代電路提供定時。隨著系統速度提高到數百 MHz 或更高，這些時鐘必須更快并具有極低的抖動，通常低于 100 飛秒 (fs)，以保持系統性能。這些時鐘還必須長期保持低抖動規格，且不受溫度和電壓的影響。
通過為系統組件確定步調，時鐘振蕩器為現代電路提供定時。隨著系統速度提高到數百 MHz 或更高，這些時鐘必須更快并具有極低的抖動，通常低于 100 飛秒 (fs)，以保持系統性能。這些時鐘還必須長期保持低抖動規格，且不受溫度和電壓的影響。
某些抖動是由信號路徑噪聲和失真引起的，使用重復時鐘和重定時技術可以在一定程度上減少抖動。不過，抖動也是由時鐘源產生的，時鐘源通常是振蕩器。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、進入時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。無論時鐘抖動的來源如何，設計人員都必須盡一切可能將固有時鐘抖動降至最低，因為這種缺陷是不可逆轉的。
本文將將從多個角度討論抖動問題。然后介紹 Abracon LLC 推出的不同時鐘振蕩器，并說明如何通過使時鐘振蕩器的性能與應用相匹配來最大限度地減少抖動。
抖動基礎知識
時鐘抖動是指時鐘邊沿與其理想時間位置的偏差。這種抖動會影響時鐘信號確定步調時的數據信號傳輸的定時精度和準確性，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，在通過電纜、連接器或電路板將信號從發射源傳遞到接收器的系統中對時鐘抖動進行了廣泛的分析。根據不同的應用，可以采用多種方式對時鐘抖動進行表征，包括周期對周期抖動、周期抖動和長期抖動（圖 1）。
圖 1：術語“抖動”包含許多定時變化，包括周期到周期抖動、周期抖動和長期抖動。（圖片來源：VLSI Universe）
· 周期到周期抖動表示連續兩個連續周期內的時鐘周期的變化，與頻率隨時間的變化無關。
· 周期抖動是指任何時鐘周期相對于其平均周期的偏差。它是理想時鐘周期與實際時鐘周期之差，可規定為均方根 (RMS) 周期抖動或峰峰周期抖動。
· 長期抖動是指時鐘邊沿在較長時間內與其理想位置偏離。這有點類似于漂移。
抖動會破壞用于恢復低 BER 數據的其他子功能、組件或系統所使用的定時，或者破壞用于步調組件的定時，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，比特定時的交叉點擴大了。
圖 2：在眼圖中，抖動被視為數據流中的關鍵定時交叉點在擴大。（圖片來源：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鐘，以優化數據流解碼。為此，該電路必須同步并鎖定源時鐘，通常使用鎖相環 (PLL)。抖動會影響系統精確實現這一目標的能力，從而削弱系統以較低 BER 恢復數據的能力。
請注意，可在時域和頻域中測量抖動；兩者都是對同一現象的有效觀察。相位噪聲是振蕩器信號周圍噪聲頻譜的頻域視圖，而抖動則是振蕩器周期定時精確性的時域測量。
可用多種方式表示抖動測量。通常使用時間單位，如“10 皮秒 (ps) 抖動”。均方根 (RMS) 相位抖動是一個時域參數，由相位噪聲（頻域）測量得出。抖動有時也被稱為相位抖動，這可能會引起混淆，但它仍然是時域抖動參數。
隨著鏈路工作頻率及其時鐘從幾十 MHz 加速到幾百 MHz 或更高，時鐘源的允許抖動會降低到大約 100 fs 或更低。這些頻率適用于光模塊、云計算、網絡和高速以太網，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建穩定、一致且具有精確頻率的時鐘信號的最常見方法。相關的振蕩電路為晶體提供支持。有許多此類電路系列，且每個系列都有不同的權衡方案。自 20 世紀 30 年代以來，晶體一直被用于中頻（300 kHz 至 3 MHz）和高頻（3 MHz 至 30 MHz）射頻頻段的無線電通信。
一種廣泛用來生成低抖動時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、先進的 PLL 技術，且具有卓越的低抖動性能（圖 3）。
圖 3：Abracon AX5 和 AX7 時鐘振蕩器采用了眾多基于 PLL 的設計中的某一種，但經過了微妙的改進，以最大限度地減少抖動。（圖片來源：Abracon）
除工作頻率和振蕩器設計外，抖動性能還受到振蕩器核心石英晶體物理尺寸的影響。隨著晶體尺寸的減小，獲得出色的 RMS 抖動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 器件的時鐘解決方案，則需要一種新型振蕩器架構。這類對較小尺寸的要求通常與最新一代的光收發器和模塊有關。設計 100 MHz 至 200 MHz 范圍內的時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路
方案 1 既不能提供最佳 RMS 有效值抖動性能，也不是最具性價比的解決方案。方案 3 變得復雜且存在性能缺陷，而方案 4 的 MEMS 諧振器方法則無法滿足最大 200 fs RMS 抖動的主要性能指標。相比之下，方案 2 使用最優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 開發了“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 的微型封裝中實現了卓越的超低 RMS 抖動性能和極高的能效。
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。（圖片來源：Abracon）
在這一方案中，經過精心設計的第三次泛音晶體坯片以及對所需載波信號進行的適當濾波和“捕獲”，確保了在所需載波頻率下具有出色的 RMS 抖動性能。
該架構沒有使用典型的 PLL 方法，因此不存在上變頻。因此，無需進行標準 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。由于沒有小數或整數乘法，因此簡化了設計并能以盡可能小的尺寸實現最小的抖動。
規格和實際性能
時鐘振蕩器不只是一個晶體及其模擬電路。時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期變化均不會影響設備的性能。時鐘振蕩器還支持各種差分數字邏輯輸出電平，以實現電路兼容性。這種兼容性無需外部邏輯電平轉換 IC。這種 IC 會增加成本、占地面積和抖動。
由于時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。時鐘振蕩器還必須提供不同的輸出格式選擇，如低壓正/偽發射極耦合邏輯 (LVPECL) 和低壓差分信號 (LVDS) 以及其他格式。
通過對 AK2A 和 AK3A 這兩個系列的晶體時鐘振蕩器的了解，我們可以看到通過對材料、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。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 抖動為 160.2 fs（圖 5）。其頻率穩定性極佳，在不同溫度下的穩定性優于 ±15 ppm，采用六引線表面貼裝器件 (SMD) 封裝，尺寸為 2.5 × 2.0 × 1.0 mm。
圖 5：AK2ADDF1-100.000T 的抖動為 160 fs，這是一款 3.3 V、100 MHz 器件，提供 LVDS 輸出。（圖片來源：Abracon）
然而，隨著時鐘頻率的提高，抖動必須減少，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）。可提供指定頻率為 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、稍寬；包括頻率最高可達 212.5 MHz 的版本，而 AK2A 為 200 MHz。（圖片來源：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 抖動為 81 fs，略好于 AK2A 系列的相應器件。
這兩個系列的抖動因工作頻率、工作電壓、封裝尺寸和輸出選擇而各不相同。
其他的現實考慮因素
時鐘振蕩器只在出廠時符合規格要求是遠遠不夠的。與所有元件一樣，尤其是模擬和無源元件，這些振蕩器會因組成材料的老化和內部應力而隨隨時間的推移發生漂移。
這些現實情況對高性能時鐘振蕩器尤其具有挑戰性，因為沒有一種簡單或方便的方法通過添加軟件或巧妙的電路來糾正或補償這種漂移。不過，有一些方法可以減輕漂移影響。這包括最終用戶為加速振蕩器老化而進行的長時間預燒，或在爐控外殼中使用溫度穩定的振蕩器。前者耗時長，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關鍵參數，Abracon 的 ClearClock 系列產品在整個最終產品壽命（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優于 ±50 ppm。為此，我們精心選擇、制造了第三次泛音晶體，并進行了調節，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，與前代產品相比（分別為第一代 AK2 和 AX3），其抖動噪聲性能有所提高，從而確保了超低的 RMS 抖動性能。
這一改進的代價是功耗略有增加。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，還能提供超低的 RMS 抖動。
結束語
定時振蕩器是數據鏈路或時鐘功能的核心，其精度、抖動和穩定性是實現所需的系統級性能（包括高 SNR 和低 BER）的關鍵參數。通過創新型材料選擇和架構，可以實現更高的時鐘頻率，以滿足行業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 范圍內的抖動低于 100 fs。
(作者：Bill Schweber)
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