超低抖動時鐘合成器的設(shè)計挑戰(zhàn)

該應(yīng)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(biāo)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(biāo)，設(shè)計難度遠遠高于預(yù)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(biāo)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。

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(yù)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(yán)格的50%占空比。另外，目標(biāo)輸出驅(qū)動能力是10dBm/50Ω，即2VP-P差分輸出。

合成器設(shè)計基礎(chǔ)

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(yán)格的50%占空比。因此，VCO工作在目標(biāo)時鐘的兩倍頻(4GHz)，然后通過2分頻獲得目標(biāo)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(yīng)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(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(biāo)決定了噪聲將有多低。

相噪是相對于載頻的指標(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(zhǔn)，當(dāng)然，集成VCO也很難達到這一目標(biāo)。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(biāo)最差的VCO也滿足我們的要求。


圖3. UMX-806-D16對應(yīng)于相噪模板的相噪