你的位置:首頁 > RF/微波 > 正文

再也不用擔(dān)心抖動(dòng)和電流!高端時(shí)鐘緩沖器的設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2015-08-25 責(zé)任編輯:echolady

【導(dǎo)讀】很多電子系統(tǒng)中都有很多時(shí)鐘信號(hào),大多為一個(gè)到多個(gè)處理器以及外圍IC的時(shí)鐘信號(hào)。要知道并不是所有時(shí)鐘緩沖器都是完美的,使用多個(gè)獨(dú)立時(shí)鐘源雖然提高了設(shè)計(jì)成本,但是也增大了對(duì)電路板面積的要求,雖然采用緩沖器比較簡單但是并非沒有挑戰(zhàn)。

幾乎所有的電子系統(tǒng)都需要針對(duì)一個(gè)或多個(gè)處理器以及許多相關(guān)外圍IC的多個(gè)時(shí)鐘信號(hào),以建立該系統(tǒng)的運(yùn)行節(jié)奏。這些時(shí)鐘信號(hào)通常由石英晶體產(chǎn)生,頻率范圍可以從幾MHz到幾百M(fèi)Hz。

雖然許多集成電路都需要這些時(shí)鐘信號(hào),但在大多數(shù)設(shè)計(jì)中采用多個(gè)晶體作為主時(shí)鐘源并不現(xiàn)實(shí),也不是所期望的方式。其原因是,使用多個(gè)獨(dú)立的時(shí)鐘源會(huì)帶來這些時(shí)鐘與靶標(biāo)同步的問題,提高了系統(tǒng)成本,同時(shí)增大了對(duì)于電路板面積的要求。相反,設(shè)計(jì)者幾乎總是選擇使用一個(gè)單一的主時(shí)鐘振蕩器作為時(shí)鐘源,再將時(shí)鐘信號(hào)分配給整個(gè)系統(tǒng)中的各個(gè)組件。

但這種解決方案也不是沒有挑戰(zhàn)。首先,所有的時(shí)鐘都不是完美的,每個(gè)時(shí)鐘,即使是在一個(gè)精心設(shè)計(jì)的振蕩電路中的一個(gè)精準(zhǔn)晶體,也會(huì)圍繞其標(biāo)稱頻率產(chǎn)生一些相關(guān)的抖動(dòng)和微小的時(shí)序變化,如圖1a所示,這相當(dāng)于在頻域中的相位噪聲,見圖1b。

主時(shí)鐘的固有缺點(diǎn)只是問題的開始。時(shí)鐘振蕩器通常不能支持所有必須的負(fù)載,也不能驅(qū)動(dòng)連接信號(hào)源與負(fù)載之間的電路布線或電纜。

再也不用擔(dān)心抖動(dòng)和電流!高端時(shí)鐘緩沖器的設(shè)計(jì)
圖1:有兩種同樣有效的方式來分析抖動(dòng):a)在時(shí)域中,采用一個(gè)完美的時(shí)鐘(頂部)和具有抖動(dòng)的時(shí)鐘(底部),顯示細(xì)微的時(shí)間差別(相移)。b)在頻域中,采用同樣完美的時(shí)鐘(頂部)和具有抖動(dòng)的時(shí)鐘(底部),顯現(xiàn)出圍繞標(biāo)稱值的頻率偏移。
[page]
為了克服這一驅(qū)動(dòng)能力的不足,需要一個(gè)專門的時(shí)鐘緩沖器IC用于在樹狀拓?fù)浼軜?gòu)下升壓和“扇出”主時(shí)鐘,如圖2所示。緩沖器功能簡單,并只完成一項(xiàng)工作:它以時(shí)鐘源作為其輸入,并且提供能夠盡可能完美復(fù)制時(shí)鐘輸入的多個(gè)輸出。

再也不用擔(dān)心抖動(dòng)和電流!高端時(shí)鐘緩沖器的設(shè)計(jì)
圖2:根據(jù)所用的時(shí)鐘樹拓?fù)浼軜?gòu),在時(shí)鐘源和最終時(shí)鐘負(fù)載之間可以采用一個(gè)或多個(gè)時(shí)鐘緩沖器。

盡管這種功能往往不是很引人注目,也不可能得到太多的關(guān)注和重視,但它在系統(tǒng)整體性能、信號(hào)完整性、以及系統(tǒng)和電路的一致性、可靠性方面起著重要作用。目前市場上有可以驅(qū)動(dòng)2個(gè)、4個(gè)、8個(gè)甚至更多負(fù)載的緩沖器IC,能夠緊密配合設(shè)計(jì)的需要,無需額外的成本費(fèi)用或電路板空間,如圖3所示。

再也不用擔(dān)心抖動(dòng)和電流!高端時(shí)鐘緩沖器的設(shè)計(jì)
圖3:類似IDT5PB11xx的時(shí)鐘緩沖器可提供扇出數(shù)4(指定于1:4緩沖器);簡單的功能圖無需顯示內(nèi)部的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。

采用一個(gè)緩沖器:簡單,但不是沒有挑戰(zhàn)

理想的時(shí)鐘緩沖器能夠傳輸?shù)玫缴龎旱妮斎霑r(shí)鐘,但不能有任何附加的抖動(dòng)、延遲、失真、或其他不利因素。像所有其他組件一樣,這種理想的時(shí)鐘緩沖器并不存在,而一些器件卻可以很接近、非常接近理想情況。顯然,緩沖器會(huì)占據(jù)PCB空間、消耗功率、并增加成本,它們還會(huì)把自身的抖動(dòng)增加到時(shí)鐘的內(nèi)在抖動(dòng)上。但現(xiàn)實(shí)中沒有可行的替代方案,因此,我們的目標(biāo)必須是要獲得與應(yīng)用良好匹配的時(shí)鐘緩沖器。

這里重要的是要理解為什么緩沖器的低抖動(dòng)如此至關(guān)重要。從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、高端PC到儀器設(shè)備,當(dāng)今許多電子產(chǎn)品所允許的抖動(dòng)指標(biāo)非常小。很多這些產(chǎn)品的典型抖動(dòng)值約為100fs(飛秒,為10-15秒,或十億分之一秒的百萬分之一),比幾年之前認(rèn)為是高性能的指標(biāo)高出一個(gè)量級(jí)。

一般情況下,緩沖器的抖動(dòng)遠(yuǎn)比時(shí)鐘的抖動(dòng)要小,所以主要抖動(dòng)源是時(shí)鐘,而不是其緩沖器。緩沖器輸出驅(qū)動(dòng)的所有負(fù)載的復(fù)合抖動(dòng)是時(shí)鐘和緩沖器抖動(dòng)值的均方根(rms)組合。例如,一個(gè)時(shí)鐘具有抖動(dòng)400fs(均方根值),其緩沖器抖動(dòng)為50fs(均方根值),結(jié)果只有5fs的有效附加均方根抖動(dòng),所以緩沖器對(duì)于組合均方根抖動(dòng)的貢獻(xiàn)比時(shí)鐘小很多。(請(qǐng)注意,這里只是抖動(dòng)的一個(gè)頂級(jí)特性,抖動(dòng)是一個(gè)多方面的、非常復(fù)雜的問題;見附文“抖動(dòng)表征和測試。”)

對(duì)于抖動(dòng)期望在收緊

既然緩沖器對(duì)于整體抖動(dòng)的貢獻(xiàn)如此之小,為何還要關(guān)心使用更好、具有更低抖動(dòng)的緩沖器呢?簡言之,當(dāng)今電子產(chǎn)品的系統(tǒng)時(shí)鐘速度發(fā)展趨勢(shì)和要求在影響所需的參數(shù)。隨著系統(tǒng)性能和時(shí)鐘速度提高,時(shí)鐘必須比上一代產(chǎn)品有更低的抖動(dòng)。其結(jié)果是,具有更低抖動(dòng)的時(shí)鐘緩沖器對(duì)于保證負(fù)載端的性能要求非常重要。

通過對(duì)粗略數(shù)字的基本分析可以使這一點(diǎn)更加清晰。在時(shí)鐘和緩沖器的抖動(dòng)相等時(shí)(這種情況在時(shí)鐘抖動(dòng)不斷縮小時(shí)可能發(fā)生),得到的抖動(dòng)均方根值為√2(≈1.4)比單獨(dú)的時(shí)鐘要高,幾乎增加50%以上。其結(jié)果是,各個(gè)負(fù)載端的時(shí)鐘信號(hào)性能與時(shí)鐘的原始值相比顯著降低。因此,隨著時(shí)鐘性能變好,具有更低的抖動(dòng)時(shí),關(guān)鍵是要降低緩沖器的抖動(dòng),甚至更多,這樣緩沖器對(duì)于整體抖動(dòng)的貢獻(xiàn)可以最小化。

傳統(tǒng)上,電路設(shè)計(jì)者對(duì)于過度抖動(dòng)問題的解決途徑需要在緩沖器性能參數(shù)之間進(jìn)行不令人滿意的折衷。他們可以選擇具有低抖動(dòng)的緩沖器,但要做到這一點(diǎn),這些緩沖器要消耗更高的電流和/或電壓。簡而言之,更低的抖動(dòng)需要更大的電流。不幸的是,這意味著緩沖器用戶陷入較高功耗、更多低能效組件的困境,從而降低了電池供電產(chǎn)品的運(yùn)行時(shí)間,增大了散熱量,這些都是不依賴于電源以及是否有足夠的散熱措施都必須要考慮的。

現(xiàn)在的好消息是,這種傳統(tǒng)的折衷已經(jīng)不再需要。IDT公司全新系列的時(shí)鐘緩沖器基于經(jīng)過驗(yàn)證的IC工藝,同時(shí)采用了設(shè)計(jì)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面的創(chuàng)新,實(shí)現(xiàn)了極低的抖動(dòng)但功耗并沒有增加,同時(shí)還具有更小的芯片尺寸,能夠采用一系列的電源軌供電運(yùn)行。例如,IDT5PB11xx系列LVCMOS扇出緩沖器在12kHz到200MHz范圍內(nèi)具有低于50fs的均方根附加相位抖動(dòng),而內(nèi)核電流只有15mA。
[page]
通過仔細(xì)分析在此頻率范圍內(nèi)的均方根附加相位抖動(dòng)曲線可以更明顯地看到這些得到的好處。圖4a展示的是在5PB11xx緩沖器輸入端來自于200-MHz時(shí)鐘源的抖動(dòng),而圖4b則示出了相同的參數(shù),但是在緩沖器輸出端。即使在最高頻率(這是最具挑戰(zhàn)性的區(qū)域)時(shí),附加抖動(dòng)僅為31.6fs。IDT公司產(chǎn)品系列的其他器件具有不同的輸出扇出和配置變化,但都具有類似的低附加抖動(dòng)。

再也不用擔(dān)心抖動(dòng)和電流!高端時(shí)鐘緩沖器的設(shè)計(jì)
圖4:即使在200MHz輸入時(shí),由IDT5PB11xx增加到時(shí)鐘信號(hào)的附加性抖動(dòng)影響只有約32fs。

除了獨(dú)特的低抖動(dòng)、低功耗特性外,IDT5PB11xx緩沖器也具有其它性能優(yōu)勢(shì)。它可以采用1.8V到3.3V之間的寬范圍電壓供電運(yùn)行,而性能不會(huì)降低。因此在一個(gè)具有多個(gè)電源軌的較大設(shè)計(jì)中,可以在不同的地方采用同樣的部件,甚至在多個(gè)產(chǎn)品中采用同一部件。這不僅簡化了物料清單(BOM),同時(shí)也降低了因使用多個(gè)新部件而導(dǎo)致出現(xiàn)的附加性設(shè)計(jì)“意外”自然風(fēng)險(xiǎn)。

5PB11xx的信道與信道輸出偏移(skew)(輸出信道之間的相對(duì)時(shí)序差)僅為50ps,這對(duì)于保持多個(gè)外圍負(fù)載之間的同步至關(guān)重要。該緩沖器以一個(gè)微小的2×2mmDFN封裝供貨,這種小尺寸是許多先進(jìn)的便攜式應(yīng)用非常需要的。5PB11xx同時(shí)也可以及較大的3.9×4.9mmSOIC封裝供貨,可用于以往的設(shè)計(jì)進(jìn)行性能升級(jí),或用于電路板空間不是很緊張的新項(xiàng)目設(shè)計(jì)。

當(dāng)然,雖然工作在200MHz、性能經(jīng)過大幅度改善的5PB11xx器件簡化了設(shè)計(jì)挑戰(zhàn),但它并不能完全消除電路設(shè)計(jì)者的責(zé)任。在200MHz頻率下,仍然要應(yīng)用良好的設(shè)計(jì)規(guī)范,包括12至18英寸(30到45cm)長的緩沖器與負(fù)載之間最大電路板布線長度,采用PCB板上的平衡布線以降低噪聲和接地回路影響等等,同時(shí)也需要遵循其它的標(biāo)準(zhǔn)高頻設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

一些設(shè)計(jì)師或許在下述兩種緩沖器之間難以抉擇:一種具有較低抖動(dòng),但有較高并難以承受的功耗;另一種具有低功耗,抖動(dòng)指標(biāo)卻遜色不少。IDT公司的全新時(shí)鐘緩沖器產(chǎn)品系列不需要再有這種折衷。除了封裝和引腳與已有產(chǎn)品兼容外,它們也可以更小的封裝提供,這意味著設(shè)計(jì)師不僅可以在新設(shè)計(jì)中采用該緩沖器,同時(shí)可以在已有設(shè)計(jì)中利用這些器件的優(yōu)勢(shì)。

抖動(dòng)表征和測試

抖動(dòng)是一個(gè)簡短的術(shù)語,但卻是一個(gè)擁有許多技術(shù)細(xì)節(jié)的復(fù)雜主題。不僅有許多類型的抖動(dòng),同時(shí)也有不同的度量方法來評(píng)估抖動(dòng),抖動(dòng)類型和值的大小依照具體的應(yīng)用而有不同的結(jié)果,欲了解更多信息,請(qǐng)參閱附表。兩個(gè)信息量很大的參考文獻(xiàn)是AN-815理解抖動(dòng)單位和AN-827時(shí)鐘抖動(dòng)的應(yīng)用關(guān)聯(lián)。

在評(píng)估抖動(dòng)時(shí),重要的是設(shè)計(jì)師要針對(duì)多個(gè)抖動(dòng)指標(biāo)做“樹狀分析”,分析它們?nèi)绾螀R合在一起,確保抖動(dòng)結(jié)果在一定范圍內(nèi),并且抖動(dòng)的系統(tǒng)級(jí)影響可以接受。同樣重要的是對(duì)于那些計(jì)劃實(shí)際測試并確認(rèn)其抖動(dòng)分析的工程師,必須要了解在當(dāng)今設(shè)計(jì)中非常快的時(shí)鐘和非常低的低抖動(dòng)帶來的挑戰(zhàn)。在設(shè)計(jì)、安裝、測試設(shè)備、計(jì)算等確認(rèn)測量過程的每一個(gè)環(huán)節(jié),都存在一些復(fù)雜而微妙的因素,有時(shí)侯很容易進(jìn)行一些不當(dāng)?shù)臏y試,可在不經(jīng)意間誤導(dǎo)并生成一些數(shù)字,導(dǎo)致對(duì)結(jié)果的過于樂觀或者過于悲觀。

作為一家時(shí)鐘發(fā)生器和緩沖器IC的領(lǐng)先廠商,IDT公司擁有針對(duì)這些測試的豐富經(jīng)驗(yàn),所有器件正在使用是德科技(KeysightTechnologies,以前的安捷倫)的E5502相位噪聲測量解決方案等儀器進(jìn)行測試,見圖SB-1。該儀器經(jīng)專門設(shè)計(jì),可用于在設(shè)計(jì)評(píng)估和生產(chǎn)階段測量非常低的相位噪聲。它采用一個(gè)具有參照源技術(shù)的相位檢測器來測量時(shí)鐘或緩沖輸出的單邊帶(SSB)相位噪聲特性。該測試裝置的設(shè)計(jì)不僅始于高精度信源,同時(shí)也采用一個(gè)獨(dú)特結(jié)構(gòu),可以抵消掉許多內(nèi)部錯(cuò)誤,這些錯(cuò)誤因而就不會(huì)影響到被測器件上的最終數(shù)據(jù)。

沒有任何一個(gè)單一的數(shù)字可以簡單地匯總所有應(yīng)用中的抖動(dòng)。哪些指標(biāo)對(duì)于給定的設(shè)計(jì)是最相關(guān)的,并且這些是如何由時(shí)鐘組件供應(yīng)商測量得出,了解這些對(duì)于在特定情況下作出最佳選擇非常關(guān)鍵。這將使設(shè)計(jì)人員在考慮設(shè)計(jì)優(yōu)先性和制約性的情況下正確理解數(shù)據(jù)表的參數(shù)。

相關(guān)閱讀:

時(shí)鐘信號(hào)的差分電容,一般人我不告訴他!

過EMC時(shí)如何處理好時(shí)鐘信號(hào)?攻城獅的硬傷
深度解析功率測量中的時(shí)鐘同步源

要采購緩沖器么,點(diǎn)這里了解一下價(jià)格!
特別推薦
技術(shù)文章更多>>
技術(shù)白皮書下載更多>>
熱門搜索
?

關(guān)閉

?

關(guān)閉