Anjin Du / Nick Da ---China Telecom Application Team

摘要

本文主要介紹了 TI 的新一代時(shí)鐘產(chǎn)品 LMK0480X 系列芯片的供電設(shè)計(jì)以及對(duì)時(shí)鐘性能的影響。通過合理的供電電源電路設(shè)計(jì)，可以有效地提高芯片性能，降低對(duì)供電電源紋波的要求。

1、LMK0480X 供電電路介紹

LMK0480X 系列時(shí)鐘產(chǎn)品是 TI 近年推出的時(shí)鐘抖動(dòng)濾除芯片，采用了兩級(jí)鎖相環(huán)級(jí)聯(lián)架構(gòu)。第一級(jí)鎖相環(huán)主要利用窄帶環(huán)路濾波器，濾除參考輸入(CLKin)的相位噪聲和雜散，起到時(shí)鐘去抖的作用，利用外部 VCXO 產(chǎn)生一個(gè)干凈的系統(tǒng)參考時(shí)鐘。第二級(jí)鎖相環(huán)主要是利用第一級(jí)輸出作為其參考時(shí)鐘，生成系統(tǒng)所需要的各種時(shí)鐘頻點(diǎn)，同時(shí)滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需要的相噪、抖動(dòng)和雜散要求。在實(shí)際應(yīng)用中，外部 VCXO 的選取，環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)以及各種環(huán)路參數(shù)的優(yōu)化，都對(duì)最終的時(shí)鐘性能有很大的影響。除這些因素外，芯片的供電設(shè)計(jì)是應(yīng)用中需要考慮的另外一個(gè)重要部分，不當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)會(huì)直接導(dǎo)致輸出時(shí)鐘不能滿足系統(tǒng)的需求，尤其是一些對(duì)抖動(dòng)和毛刺要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景。

電源設(shè)計(jì)指導(dǎo)" />

LMK0480X 芯片的供電電源管腳的分布如上圖所示，大致可以分為以下幾類：

本章中主要整體介紹了 LMK0480X芯片內(nèi)部模塊電路的供電設(shè)計(jì)。下一章節(jié)中將結(jié)合實(shí)際實(shí)驗(yàn)，詳細(xì)介紹LMK0480X 的供電電源噪聲對(duì)實(shí)際性能的影響。

2、LMK0480X 供電設(shè)計(jì)和 PSRR 性能測(cè)試

2.1 LMK0480X 供電設(shè)計(jì)原則

針對(duì)不同種類的供電管腳，對(duì)外部的供電電路的需求不同，一般需要遵循的原則如下：

• LMK048XX 所有的供電管腳內(nèi)部都有一個(gè)集成的高頻去耦電容，由于這個(gè)電容更加靠近芯片，可以排除封裝 bonding 線的寄生電感的影響，去耦的效果比外部的高頻去耦電容(< 1nF)更有效。同時(shí)外部的去耦電容容易將地平面的一些高頻干擾引入到芯片的供電管腳，所以一般不建議在 LMK0480X 的所有供電管腳增加< 1nF 的去耦電容。

• VCC1，VCC4，VCC9 所負(fù)責(zé)的芯片內(nèi)部電路不會(huì)產(chǎn)生噪聲，所以這三個(gè)供電管腳可以連接在一起，共享供電電路;也不需要增加磁珠隔離管腳和總的供電電路，因?yàn)榇胖槿菀子绊?VCO 的供電(VCC1)，在輸出形成鼓包。

• VCC6 和 VCC8 是給前后兩級(jí)鎖相環(huán)的電荷泵供電，這對(duì)芯片的最終性能至關(guān)重要，建議獨(dú)立的供電支路。對(duì)于 VCC6，由于是給第一級(jí)鎖相環(huán)供電，一般第一級(jí)鎖相環(huán)的鑒相頻率都比較低，所以供電支路的磁珠可以省去，同時(shí)也可直接把 VCC6 直接接入 VCC1/4/9 的電路。而對(duì)VCC8 而言，由于為了增加環(huán)路帶寬，第二級(jí)鎖相環(huán)的鑒相頻率比較高(>50MHz),為了防止鑒相頻率泄露到其他供電管腳，要求 VCC8 具有獨(dú)立的供電支路，同時(shí)應(yīng)當(dāng)增加磁珠以隔離VCC8 和主供電電路的干擾。當(dāng)鑒相頻率較低時(shí)，可以考慮去掉這個(gè)磁珠。

• VCC5 和 VCC7 主要是給芯片的參考和 VCXO 的輸入輸出提供電源，同時(shí)也給 PLL2 的鎖定指示電路提供電源。對(duì)于這些管腳，不需要外部的大的去耦電容和磁珠，以防止一些地平面的干擾串入電源管腳，從而影響 PLL2 的鎖定指示。[!--empirenews.page--]

• VCC2, VCC3, VCC10, VCC11, VCC12, VCC13 是給芯片的 12 路輸出提供電源(一個(gè)供電管腳負(fù)責(zé)兩路輸出)。如果其中幾路輸出相同的頻點(diǎn)時(shí)，這幾路的供電可以連接到一起，共享供電支路，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。由于輸出頻率都比較高，所以對(duì)于這幾路供電管腳建議增加磁珠，以降低芯片開關(guān)噪聲對(duì)于芯片整體供電的影響，同時(shí)提高通道間的隔離。同時(shí)如前面提到，由于芯片內(nèi)部已經(jīng)集成了高頻去耦電容，所以不需要外部的去耦電容。

當(dāng)輸出的頻率較低時(shí)(〈10MHz)，或者輸出單端 LVCMOS 或者高擺幅的 LVPECL 信號(hào)時(shí)，為了降低供電環(huán)路的阻抗，建議去掉磁珠或在管腳處增加一個(gè)大一點(diǎn)的去耦電容，提供開關(guān)電流。

• 當(dāng)輸出時(shí)鐘類型是 LVPECL 時(shí)，應(yīng)防止輸出到地有電容。因?yàn)檫@樣很容易形成到地的短路環(huán)路，不僅需要電源管腳提供很大的開關(guān)電流，同時(shí)將頻率噪聲引入到地平面，給系統(tǒng)帶來了干擾。

2.2 PSRR(Power Supplier Rejection Ratio)性能分析

為了表征各類不同供電管腳的電源噪聲對(duì) LMK0480X 輸出噪聲的影響，通常采用電源噪聲抑制比 PSRR來表征鎖相環(huán)芯片的抗電源噪聲能力，本節(jié)通過實(shí)際測(cè)試樣例評(píng)估 LMK0480X 的供電噪聲抑制性能。

2.2.1 測(cè)試設(shè)置

PSRR 測(cè)試基于 LMK0480X 評(píng)估板，在這些測(cè)試中，測(cè)試框圖如 Figure2，設(shè)置如下：

1. 外部 VCXO 使用獨(dú)立的干凈電源供電，排除 VCXO 對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

2. 去掉芯片外部的去耦電容和磁珠，排除這些器件對(duì)芯片 PSRR 的影響。

3. 干擾源通過信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生合路進(jìn)入測(cè)試的電源管腳。干擾源的頻率從 50KHz 到 2 MHz 連續(xù)掃描，測(cè)試干擾信號(hào)在環(huán)路帶寬內(nèi)外，對(duì)于芯片 PSRR 性能的不同影響。

4. 干擾源輸入信號(hào)的擺幅固定在 Vin = 100mV;測(cè)量輸出端口載波兩側(cè)的對(duì)應(yīng)的干擾源帶來的雜散(偏移對(duì)應(yīng)的干擾源頻率)的功率 Ps dBm，將 Ps 轉(zhuǎn)換為電壓幅度 Vs，轉(zhuǎn)換公式以及 PSRR計(jì)算公式如 Equation 1 。

2.2.2 不同供電管腳噪聲對(duì) LMK0480X 輸出噪聲的影響分析

1.當(dāng)干擾電源輸入到所有的供電管腳，測(cè)試所有輸出管腳的 PSRR。如下圖所示，幾乎所有輸出端口的 PSRR 大約是 25dBc。

Figure 3 干擾電源應(yīng)用到所有供電管腳的 PSRR 測(cè)試結(jié)果

2.只將干擾源輸入到 LMK0480X 其中一路輸出管腳供電，其它供電管腳都使用干凈的電源，PSRR 測(cè)試結(jié)果如下圖;可以看到，只有使用干擾電源的那一路 PSRR 結(jié)果比較差，其它輸出受到干擾電源的影響不大，都可以達(dá)到 60dBc 以上。

在沒有使用干擾電源的端口加上去耦電容，繼續(xù)上面的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，可以發(fā)現(xiàn)受到電源干擾的輸出端口的 PSRR 也略有改善，但仍然是最差。

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3.將干擾電壓源分別輸入到除輸出管腳電壓以外的其它管腳，例如 digital 電路部分，charge pump電流供電部分等，測(cè)試結(jié)果如下。可以發(fā)現(xiàn)，PDCP1 和 VCO 對(duì)于干擾電源的濾除非常明顯。PDCP1 管腳主要是因?yàn)榄h(huán)路濾波器非常窄，對(duì)于電源干擾加以濾除;VCO 供電管腳內(nèi)部集成了LDO，所以也對(duì)外部的電源干擾不敏感。通過實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于外部供電最為敏感的是 PDCP2和 DIV 的電源管腳，PSRR 分別是-23dBc 和-30dBc 。所以在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，一定需要著重考慮PDCP2 和 DIV 的供電設(shè)計(jì)，供電電路上要增加磁珠，同時(shí)要確保沒有< 1nF 的去耦電容，防止鑒相頻率泄露到地上從而耦合到輸出管腳，這對(duì)輸出的雜散非常重要。

電源設(shè)計(jì)指導(dǎo)" />

3、總結(jié)

本文主要介紹了 LMK0480X 系列時(shí)鐘供電部分主要的設(shè)計(jì)需求和 PSRR 性能分析。通過實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)芯片供電電源管腳的去耦設(shè)計(jì)，尤其是 PLL2 供電管腳的設(shè)計(jì)和芯片內(nèi)部不同電源模塊的電源隔離設(shè)計(jì)，可以顯著降低 LMK0480X 系列產(chǎn)品的輸出噪聲性能，提供超低抖動(dòng)的時(shí)鐘輸出。

4、參考資料

LMK0480X Datasheet