該應(yīng)用筆記提出了超低抖動(dòng)時(shí)鐘合成器的一種設(shè)計(jì)思路，其目標(biāo)是產(chǎn)生2GHz時(shí)鐘時(shí)，邊沿之間的抖動(dòng) 100fs。分析和仿真結(jié)果表明，要達(dá)到這一抖動(dòng)指標(biāo)，設(shè)計(jì)難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于預(yù)期。關(guān)于元器件變量和折衷方案的討論為進(jìn)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(gè)低抖動(dòng)時(shí)鐘源的參考設(shè)計(jì)，目標(biāo)是在時(shí)鐘頻率高達(dá)2GHz時(shí)，邊沿間抖動(dòng) 100fs。對(duì)于1GHz模擬輸出頻率，所產(chǎn)生的抖動(dòng)信噪比SNR為：-20 × log(2 × π × f × tj) = -64dB。

設(shè)計(jì)需求

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

一些高速轉(zhuǎn)換器采用時(shí)鐘信號(hào)的兩個(gè)沿作為內(nèi)部定時(shí)。這就要求嚴(yán)格的50%占空比。另外，目標(biāo)輸出驅(qū)動(dòng)能力是10dBm/50Ω，即2VP-P差分輸出。

合成器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

圖1. 傳統(tǒng)鎖相環(huán)

最簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)是傳統(tǒng)的鎖相環(huán)電路，如圖1。如上所述，要求嚴(yán)格的50%占空比。因此，VCO工作在目標(biāo)時(shí)鐘的兩倍頻(4GHz)，然后通過(guò)2分頻獲得目標(biāo)頻率和占空比。由于分頻器會(huì)引入抖動(dòng)，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(duì)參考噪聲的低通濾波和VCO噪聲的高通濾波。同時(shí)，它也決定了環(huán)路建立時(shí)間。由于這是固定頻率應(yīng)用，環(huán)路建立時(shí)間不存在問(wèn)題；濾波器帶寬可只對(duì)噪聲進(jìn)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(fù)擔(dān)，寬帶濾波器的效果則相反。

雖然我們需要在VCO和參考時(shí)鐘兩者之間進(jìn)行平衡，通過(guò)對(duì)兩者的研究表明，同時(shí)獲得兩者的最佳性能是可能的。100fs抖動(dòng)的相噪指標(biāo)決定了噪聲將有多低。

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

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(hào)里的系數(shù)2代表包括了兩個(gè)單邊帶¹。

其抖動(dòng)為：



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

另一種方法是，我們從抖動(dòng)倒推相噪。于是，對(duì)于2GHz時(shí)100fs的抖動(dòng)：



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(wú)疑問(wèn)，2GHz下抖動(dòng) 100fs是一個(gè)非常不錯(cuò)的相噪值，特別是在10kHz至100kHz范圍內(nèi)。從圖中可以看出，10kHz時(shí)的相噪大約為-114dBc/Hz。但很少有分離²的VCO能夠達(dá)到這一水準(zhǔn)，當(dāng)然，集成VCO也很難達(dá)到這一目標(biāo)。UMC (Universal Microwave Corporation)的VCO能夠達(dá)到這一低噪級(jí)別。UMX系列產(chǎn)品的帶寬為500MHz至5GHz，其10kHz相噪可以達(dá)到-112dBc/Hz以下。即使UMX系列中指標(biāo)最差的VCO也滿足我們的要求。


圖3. UMX-806-D16對(duì)應(yīng)于相噪模板的相噪