正确理解时钟器件的抖动性能_技术

　　摘要

　　在选择时钟器件时，抖动指标是最重要的关键参数之一。但不同的时钟器件，对抖动的描述不尽相同，如不带锁相环的时钟驱动器有附加抖动指标要求，而带锁相环实现零延时的时钟驱动器则有周期抖动和周期间抖动指。同时，不同厂家对相关时钟器件的抖动指标定义条件也不一样，如在时钟合成器条件下测试，还是在抖动滤除条件下测试等。

　　为了正确理解时钟相关器件的抖动指标规格，同时选择抖动性能适合系统应用的时钟解决方案，本文详细介绍了如何理解两种类型时钟驱动器的抖动参数，以及从锁相环输出噪声特性理解时钟器件作为合成器、抖动滤除功能时的噪声特性。

　　1 概述

　　随着半导体工艺速度和集成度的提高，以及模拟集成电路设计能力的提升，锁相环芯片的产品形态越来越丰富，大大提升了系统时钟方案设计的灵活性，同时降低了系统时钟方案总成本。目前，锁相环集成芯片已被广泛应用于无线通信、数据网络、消费电子、医疗设备和安防监控等领域，可以实现通信网定时同步、时钟产生、时钟恢复和抖动滤除、频率合成和转换、时钟分发和驱动等功能。

　　面对时钟器件供应商提供的种类繁多的芯片，为系统设计选择满足性能规格，同时总体方案成本又具有竞争力的时钟电路，是电路设计者面临的一个难题。由于时钟器件的关键指标是抖动规格，高性能的抖动指标往往价格也要高很多，本文从分析时钟器件的抖动规格入手，详细介绍了如何正确地理解在时钟芯片器件手册里该指标的含义。基于抖动指标，介绍了德州仪器（TI）所提供的一系列时钟器件及其抖动性能，帮助电路设计者选择最适合自己的时钟方案。

　　2 时钟抖动和锁相环噪声模型

　　对时钟器件而言，抖动和锁相环是两个最基本的概念。

　　2.1 抖动

　　如图1 所示，时钟抖动可分为三种抖动类型：时间间隔误差TIE（TIme Interval Error）、周期抖动PJ（Period Jitter）和相邻周期间抖动CCJ（Cycle to Cycle Jitter）。周期抖动是多个周期内对时钟周期的变化进行统计与测量的结果，相邻周期间抖动是时钟相邻周期的周期差值进行统计与测量的结果，由于这两种抖动是单个周期或相邻周期的偏差，表征的是短期抖动行为。时间间隔误差又称为相位抖动（Phase Jitter），是指信号在电平转换时，其边沿与理想时间位置的偏移量，通常表征的是长期抖动行为。

　　图1 抖动定义

　　从时钟抖动的来源分析，可以把抖动归纳为两大类：确定性抖动和随机性抖动。确定性抖动是由可识别的各种干扰信号造成的，如EMI 辐射、电源噪声、同步切换噪声等等，这种抖动幅度是有边界的，而且可以通过电路设计优化把干扰源消除或大幅降低，一般是不直接描述时钟器件的抖动性能。随机抖动是不能预测的噪声源，如热噪声（也称为Johnson 噪声或散粒噪声），以及半导体加工工艺的局限性等。由于随机噪声是由多种不相关噪声源叠加的，根据统计理论可以用高斯分布来描述其特性，由此可以得到下面两种对随机抖动幅度的表征：

　　1. 均值（RMS）抖动，即高斯分布一阶标准偏差值s。一般采用在规定的滤波器带宽内的RMS 抖动，如光通信领域常用的积分带宽是（12KHz ~ 20MHz）。

　　2. 峰峰值（Peak-to-peak）抖动，即高斯正态曲线上最小测量值到最大测量值之间的差值。根据数据系统误码率要求的不同，最小和最大值的取值是不一样的，如误码率为时，峰峰值约等于14 倍的标准偏差值，即为。

　　2.2 相位噪声

　　相位噪声是对时钟信号噪声特性的频域表征方式，表征时钟信号频率的稳定度，是指偏离载波频率（f-fc）处1Hz 带宽内噪声功率与载波信号总功率的比值，符号为L（f），单位为dBc/Hz。图2 是一个时钟信号的频谱特性，如果单频信号非常稳定的话，从频谱上看其边带会随着远离主频的位置逐渐降低，在偏离载波（f-fc）处，相位噪声约等于载波频率处曲线的高度与f 处曲线的高度之差，即图中L（f-fc）