江 平，葉寶盛

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司電子第36研究所，嘉興 314033)

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低抖動(dòng)時(shí)鐘產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)

江 平，葉寶盛

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司電子第36研究所，嘉興 314033)

相位噪聲和抖動(dòng)是考量周期信號(hào)性能最常用的2個(gè)指標(biāo)。介紹了相位噪聲和抖動(dòng)的概念，詳細(xì)分析了兩者之間的聯(lián)系，設(shè)計(jì)了一個(gè)低抖動(dòng)的標(biāo)頻時(shí)鐘模塊，測(cè)試結(jié)果表明均方根(RMS)周期抖動(dòng)≤250fs。

時(shí)鐘模塊；相位噪聲；抖動(dòng)

0 引 言

時(shí)鐘信號(hào)是電子系統(tǒng)中必不可少的，其穩(wěn)定度是影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵指標(biāo)。隨著技術(shù)的發(fā)展、工作速度的提高，系統(tǒng)對(duì)時(shí)鐘穩(wěn)定度也提出了更高的要求[1]。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)低抖動(dòng)的標(biāo)頻時(shí)鐘模塊，通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)測(cè)得到其均方根(RMS)抖動(dòng)，很好地滿(mǎn)足了系統(tǒng)的應(yīng)用要求。

1 基本概念及理論分析

1.1 相位噪聲

理想的振蕩器輸出為一正弦波，只存在單一頻率，其頻譜為單一脈沖[2]，如圖1所示。而實(shí)際的振蕩器輸出不是理想的正弦波，其幅度和相位都是隨時(shí)間變化的，可以表示為：

Vo(t)=A(t)cos[ω0t+φ(t)]

(1)

由于A(t)和φ(t)的影響，實(shí)際振蕩器輸出波形的頻譜在中心頻率兩側(cè)存在邊帶，如圖2所示。

圖1 理想振蕩器輸出頻譜

圖2 實(shí)際振蕩器輸出頻譜

相位噪聲定義為在某一頻偏處，1Hz帶寬內(nèi)單邊帶噪聲譜密度與載波功率的比值，通常對(duì)該值取對(duì)數(shù)，單位dBc/Hz，見(jiàn)公式(2):

(2)

式中：Psideband(ω0+Δω,1Hz)為單邊帶頻譜上與載波頻率ω0偏移Δω處1Hz帶寬內(nèi)的噪聲功率[3]。

1.2 抖動(dòng)

相位噪聲從頻域上描述了信號(hào)穩(wěn)定度，而抖動(dòng)則從時(shí)域上表征了信號(hào)的穩(wěn)定度，反映了周期信號(hào)偏離理想位置的程度。按照不同的類(lèi)型，抖動(dòng)可以分為周期間抖動(dòng)、周期抖動(dòng)和長(zhǎng)周期抖動(dòng)，其中周期抖動(dòng)較為常用。

周期抖動(dòng)(Jper)是信號(hào)實(shí)測(cè)周期與理想周期之間的時(shí)間差。假設(shè)時(shí)鐘信號(hào)的理想周期為T(mén)0，第i個(gè)周期為T(mén)per(i)，則第i個(gè)周期抖動(dòng)表示為：

Jper(i)=T0-Tper(i)

(3)

(4)

1.3 相位噪聲與時(shí)鐘抖動(dòng)的關(guān)系

相位噪聲和時(shí)鐘抖動(dòng)是對(duì)時(shí)鐘性能在頻域和時(shí)域上的描述，本質(zhì)上是相同的，因此兩者之間必然存在內(nèi)在的聯(lián)系[1]。

在應(yīng)用中由于限幅器等作用，幅度隨時(shí)間的變化通?？梢院雎圆挥?jì)，即式(1)可以表示為：

(5)

則第i個(gè)周期抖動(dòng)可以表示為：

(6)

式中：Δφi為第i個(gè)周期的相位誤差。

(7)

(8)

所以：

(9)

而其中LΔφ(fm)與相位噪聲L(fm)存在如下關(guān)系：

L(fm)=10lgLΔφ(fm)

(10)

將式(10)代入式(9)，可得：

(11)

式(11)表明了周期抖動(dòng)和相位噪聲兩者之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，通過(guò)該式可以在測(cè)試出相位噪聲的情況下近似計(jì)算周期抖動(dòng)。

2 標(biāo)頻時(shí)鐘模塊設(shè)計(jì)與測(cè)試

2.1 標(biāo)頻時(shí)鐘模塊電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)低抖動(dòng)的標(biāo)頻時(shí)鐘模塊，提供時(shí)鐘信號(hào)10MHz、92.16MHz、204.8MHz各1路及100MHz2路。模塊內(nèi)部包含二分路單元、三分路單元、102.4MHz鎖相分路單元、92.16MHz鎖相單元和204.8MHz鎖相單元等主要電路，組成框圖見(jiàn)圖3。

圖3 標(biāo)頻時(shí)鐘模塊組成框圖

二分路電路將10MHz銣鐘信號(hào)功分成2路，一路給鎖相晶振提供參考時(shí)鐘，另一路則對(duì)外輸出。在二分路電路的2個(gè)輸出支路上加衰減和放大電路，以增大兩輸出電路之間的隔離。

三分路電路將鎖相晶振的輸出分成3路，2路放大、濾波后對(duì)外提供2路100MHz信號(hào)，第3路則作為102.4MHz鎖相分路電路的參考時(shí)鐘。

102.4MHz鎖相分路電路用于產(chǎn)生92.16MHz鎖相電路和204.8MHz鎖相電路所需的參考時(shí)鐘。本電路采用HMC830鎖相環(huán)芯片，100MHz參考，4MHz鑒相，整數(shù)分頻，鎖相環(huán)產(chǎn)生2 048MHz的頻率信號(hào)，經(jīng)芯片內(nèi)部后級(jí)分頻器20分頻，實(shí)現(xiàn)102.4MHz信號(hào)的鎖相輸出，經(jīng)二分路電路分路、放大、濾波后作為92.16MHz和204.8MHz鎖相電路的參考。

92.16MHz鎖相電路采用HMC830單環(huán)，102.4MHz參考鑒相，整數(shù)分頻，實(shí)現(xiàn)92.16MHz信號(hào)的鎖相，放大、濾波后對(duì)外輸出。204.8MHz鎖相電路同樣采用上述結(jié)構(gòu)，硬件電路可基本移用，只需向HMC830芯片的內(nèi)部寄存器寫(xiě)入所需頻率對(duì)應(yīng)的值即可。

2.2 相位噪聲和周期抖動(dòng)的理論計(jì)算

本設(shè)計(jì)采用的100MHz鎖相晶振的相位噪聲見(jiàn)表1。其中未能從手冊(cè)中找到的數(shù)據(jù)通過(guò)理論及常規(guī)情況估計(jì)。

表1 鎖相晶振相位噪聲

102.4MHz參考時(shí)鐘采用HMC830芯片搭建鎖相環(huán)單環(huán)實(shí)現(xiàn)，環(huán)路帶寬約200kHz，下面估算其相位噪聲。

整數(shù)分頻工作模式下，HMC830的基底噪聲為-230dBc/Hz，可估算其對(duì)102.4MHz的帶內(nèi)噪聲為：-230+10lg(4 000 000)+20lg(2 048/4)-20lg20≈-135.8dBc/Hz，而帶外則由內(nèi)部壓控振蕩器(VCO)確定。可得其相位噪聲，見(jiàn)表2。

表2 102.4MHz參考信號(hào)相位噪聲

同理，可以計(jì)算得到204.8MHz信號(hào)的相位噪聲，見(jiàn)表3。

表3 204.8MHz參考信號(hào)相位噪聲

通常在工程上可以用分段函數(shù)來(lái)描述相位噪聲和頻偏之間的關(guān)系，則表3中204.8MHz信號(hào)的相位噪聲如圖4所示。那么，L(f)在數(shù)學(xué)上可以表示為：

(12)

(13)

圖4 估算的204.8 MHz信號(hào)相位噪聲曲線(xiàn)

將公式(12)、(13)代入公式(11)，可得:

(14)

通過(guò)Matlab編程計(jì)算，可得204.8MHz時(shí)鐘信號(hào)在頻偏10Hz～10MHz范圍內(nèi)的RMS周期抖動(dòng)為225.6fs。

2.3 相位噪聲和周期抖動(dòng)的測(cè)試

理論分析和計(jì)算得出了周期抖動(dòng)的值，以下給出實(shí)物測(cè)量的結(jié)果。標(biāo)頻時(shí)鐘模塊實(shí)物見(jiàn)圖5。

圖5 標(biāo)頻時(shí)鐘模塊實(shí)物

首先給該模塊加電，用相位噪聲分析儀E5052測(cè)試204.8MHz端口的相位噪聲及RMS抖動(dòng)，記錄測(cè)試曲線(xiàn),如圖6所示。由圖6可得，頻偏10Hz、100Hz、1kHz、10kHz、100kHz、1MHz和10MHz處的相位噪聲分別是-83、-120、-128、-133、-131、-146、-169。頻偏10Hz～10MHz內(nèi)RMS周期抖動(dòng)值為237fs。

圖6 實(shí)測(cè)204.8 MHz信號(hào)相位噪聲曲線(xiàn)

2.4 計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果比較

通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，理論計(jì)算的周期抖動(dòng)值與實(shí)測(cè)值基本吻合，只存在5%的誤差，因此該估算模型能夠很好地指導(dǎo)電路設(shè)計(jì)。而誤差主要由以下兩方面原因造成：

(1) 相位噪聲預(yù)估誤差。相位噪聲的估算不準(zhǔn)確，和實(shí)測(cè)的相位噪聲值存在一定的差異。

(2) 相位噪聲曲線(xiàn)的分段線(xiàn)性近似。實(shí)測(cè)相位噪聲曲線(xiàn)并不是理想的分段線(xiàn)性函數(shù)，而計(jì)算中則采用了分段線(xiàn)性函數(shù)近似。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文闡述了相位噪聲和時(shí)鐘抖動(dòng)這2個(gè)基本概念及兩者之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)了一個(gè)低抖動(dòng)的標(biāo)頻時(shí)鐘模塊，給單機(jī)和系統(tǒng)提供10MHz、100MHz、92.16MHz和204.8MHz這幾路時(shí)鐘信號(hào)，通過(guò)計(jì)算和實(shí)測(cè)結(jié)果的比較，驗(yàn)證了相位噪聲和抖動(dòng)之間的關(guān)系。測(cè)試結(jié)果表明該設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)低抖動(dòng)的時(shí)鐘信號(hào)輸出，滿(mǎn)足系統(tǒng)應(yīng)用要求。

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DesignofLow-jitterClockGenerationCircuit

JIANGPing，YEBao-sheng

(No.36ResearchInstituteofCETC,Jiaxing314033，China)

Phasenoiseandjitteraretwoindexestoevaluatetheperformanceofperiodicsignal.Thispaperintroducestheconceptionsofphasenoiseandjitter,analyzestherelationbetweenthemindetail,designsaclockmodulewithstandardlow-jitterfrequency.Thetestresultindicatesthattherootmeansquare(RMS)periodicjitterisn'tmorethan250fs.

clockmodule;phasenoise;jitter

2015-08-12

TN

A

CN32-1413(2016)05-0117-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.05.029