時(shí)鐘和時(shí)鐘振蕩器(也稱為時(shí)鐘發(fā)生器)幾乎每電路的一部分，并且大多數(shù)系統(tǒng)具有多于一個(gè)在其設(shè)計(jì)中。事實(shí)上，這是不尋常的有四個(gè)，六個(gè)或更多的在設(shè)計(jì)，支持內(nèi)部電路以及外部I / O和接口。他們建立最終的載體設(shè)定(S)或重新建立和同步到所接收的信號(hào)載體。此外，許多系統(tǒng)需要改變或移位時(shí)鐘，以容納調(diào)諧要求多單端應(yīng)用情況的能力。

時(shí)鐘提供的功能性和服務(wù)中的各種應(yīng)用功能的大跨度，也遭受相當(dāng)大的命名法，并設(shè)有混亂重疊術(shù)語(yǔ)如時(shí)鐘，振蕩器，發(fā)電機(jī)，和合成器，等等。

固定頻率的時(shí)鐘被用于起搏處理器，存儲(chǔ)器，以及其他外圍設(shè)備。在同一個(gè)家庭的一系列同類產(chǎn)品中可能需要不同的時(shí)鐘頻率，支持多種速度選項(xiàng)或功能。這些固定頻率的時(shí)鐘也可以作為在有線和無(wú)線鏈路的基本定時(shí)基準(zhǔn)。有些鐘“的組件包括一個(gè)水晶或者是他們用它來(lái)生產(chǎn)它們的輸出等定時(shí)源;另一些則要求用戶提供外部晶振。

一些固定頻率器件是可編程的，從而在同一臺(tái)設(shè)備可用于跨越一個(gè)以上的BOM(物料清單)，以簡(jiǎn)化庫(kù)存，但即使是“可編程”的設(shè)備提供誤解的可能性。他們可能是一次性可編程在他們的供應(yīng)商，在OEM生產(chǎn)線一次性可編程，引腳帶可編程在電路板上，或軟件編程，甚至可重編程“飛”。另外，還有一些甚至可改變幾次，以適應(yīng)不同的生產(chǎn)和應(yīng)用的需求可編程時(shí)鐘可被重新編程的次數(shù)有限，具有頻率。要添加到潛在的復(fù)雜性，一些時(shí)鐘振蕩器提供多個(gè)，同時(shí)獨(dú)立輸出，因此單個(gè)晶體和器件可提供多種時(shí)鐘，大多數(shù)系統(tǒng)需要。

此外，存在其中使用單一晶體或主時(shí)鐘，以產(chǎn)生一個(gè)指定范圍內(nèi)的任意頻率輸出合成。與基本時(shí)鐘振蕩器，一些合成器設(shè)置一次固定的，其它的是動(dòng)態(tài)可設(shè)置可根據(jù)需要提供的任何頻率(通常是載體)在指定的光譜。

在無(wú)線系統(tǒng)中，有兩個(gè)時(shí)鐘基本組：那些固定頻率用于在信道設(shè)置基本定時(shí)，如一個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的專用鏈路，并且時(shí)鐘其頻率根據(jù)需要，以支持不同的信道，例如，可移跳頻在一個(gè)Wi-Fi連接。

選擇注意事項(xiàng)

鑒于所有的時(shí)鐘選擇，它可以是一個(gè)挑戰(zhàn)決定哪些基本時(shí)鐘的方法是合適的。然而，這個(gè)過(guò)程可以通過(guò)集中于初級(jí)規(guī)格被簡(jiǎn)化，因?yàn)椴皇撬械臅r(shí)鐘配置選項(xiàng)具有可比較的規(guī)格。只有符合這些頂級(jí)要求的設(shè)備可以以各種配置來(lái)考慮。一如往常，也有折中的性能要針對(duì)的性能屬性加權(quán)評(píng)估。

最關(guān)鍵的形態(tài)是時(shí)鐘，這對(duì)于大多數(shù)的無(wú)線應(yīng)用將跨越幾百M(fèi)Hz到GHz范圍的最大標(biāo)稱頻率的能力。為可編程器件，這兩個(gè)最大和最小的值是至關(guān)重要的;時(shí)鐘IC通常具有10：1或5：1最大值/最小值跨度。

另一個(gè)重要規(guī)格是初始頻率誤差(公差)在給定的設(shè)置，以百分比表示，赫茲，或每百萬(wàn)份。取決于標(biāo)稱頻率如果時(shí)鐘不是一個(gè)固定頻率的設(shè)備本數(shù)量可以改變。

所有的振蕩器，都受到漂移。如果該器件包含一個(gè)內(nèi)部晶體，或者用模擬電路來(lái)調(diào)節(jié)和擴(kuò)展外部晶體，它會(huì)經(jīng)歷與溫度漂移的一些;如果它是一個(gè)全數(shù)字化的設(shè)備，漂移會(huì)少一些，盡管仍然會(huì)有一定的閾值和邏輯門的時(shí)間會(huì)稍微偏移。溫度系數(shù)為高性能振蕩器通常用ppm / C，值的范圍從大約10到幾百。上可接受的最大值當(dāng)然取決于具體的應(yīng)用，。

對(duì)于振蕩器的頻率通過(guò)用戶啟動(dòng)的調(diào)諧或模式切換使用期間動(dòng)態(tài)地切換，而不是改變僅在初始加電時(shí)，一個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)是建立時(shí)間到新的頻率。取決于振蕩器的結(jié)構(gòu)，這可以是一個(gè)合成器或基于PLL的設(shè)計(jì)，或一個(gè)較大幅度的周期幾乎是瞬時(shí)的。即使核心電路回轉(zhuǎn)時(shí)，沒(méi)有不連續(xù)性(如某些架構(gòu)做)，可能有一個(gè)穩(wěn)定時(shí)間的問(wèn)題，如果在相關(guān)的輸出緩沖放大器或驅(qū)動(dòng)程序必須擺動(dòng)在大范圍內(nèi)。一般，小的頻率變化不具有挑戰(zhàn)性的，但很寬變化可以具有較長(zhǎng)的穩(wěn)定時(shí)間;在現(xiàn)實(shí)中，很少有應(yīng)用中，振蕩器必須迅速轉(zhuǎn)變了其全系列。

漂移也是在許多情況下考慮。時(shí)鐘與內(nèi)部晶體表現(xiàn)出短期和長(zhǎng)期漂移由于晶體老化，雖然這些術(shù)語(yǔ)可以有不同的定義與每個(gè)供應(yīng)商。一些定義“短期”的一年“長(zhǎng)期”的五年，十年，甚至二十年。最后，功耗和封裝尺寸因子到?jīng)Q策，但這些問(wèn)題通常是次要的相比，基本性能規(guī)格。在一般情況下，低功耗器件具有較低的規(guī)格比那些其消耗更多的功率，但是這是一個(gè)領(lǐng)域，在工藝，設(shè)計(jì)的進(jìn)步和​​測(cè)試意味著權(quán)衡是在不斷變化。

抖動(dòng)：原因是多方面的最具挑戰(zhàn)性的問(wèn)題

其中工程師中的振蕩器選擇作出決定時(shí)，必須評(píng)估最關(guān)鍵的參數(shù)，抖動(dòng)是最困難的表征和匹配的應(yīng)用程序。在時(shí)域，抖動(dòng)表現(xiàn)為從“完美”的輸出(圖1)的微小變化;在頻域中，它顯示為相位/頻率變化(噪聲)和單頻信號(hào)的頻譜變寬(圖2)。這兩種觀點(diǎn)都是同樣有效的看同一個(gè)物理現(xiàn)象的方式，而這是更好的角度視情況而定，適用的標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)的性能要求。

抖動(dòng)的圖像出現(xiàn)微小變化，從“完美”的輸出

圖1：在時(shí)域中，理論上“完美”的時(shí)鐘信號(hào)(頂部)示分鐘回的往復(fù)變化(底部)，它被定義為抖動(dòng)。 (IDT提供)

單頻信號(hào)的頻譜的圖像

圖2：在頻域中的同樣合法另一種觀點(diǎn)，完美單頻尖峰(頂部)成為擴(kuò)展的頻率分量和相關(guān)聯(lián)的能量(下)。 [IDT的禮貌]

抖動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，往往具有挑戰(zhàn)性量化為幾個(gè)原因。它通常是比較小的，但相對(duì)于該系統(tǒng)的性能仍是一個(gè)顯著因子;它有很多貢獻(xiàn)源包括內(nèi)部電路的噪聲，外部來(lái)源的噪聲，元件熱噪聲，分量不完善的地方，和熱致機(jī)械變化。作為一種概率性的特征，有來(lái)定義它沒(méi)有唯一正確的或簡(jiǎn)單的方法;所使用的許多定義中的峰值，有效值，平均而言，短期變化和長(zhǎng)期平均水平，等等。抖動(dòng)也可以顯示為非諧波相關(guān)的雜散頻率的輸出，在從基頻一段距離(圖3a和3b)。

抖動(dòng)相關(guān)馬刺圖片是不需要的頻率分量

圖3a和3b：抖動(dòng)相關(guān)馬刺不需要的頻率分量不屬于諧波相關(guān)的根本;上部跡線是對(duì)數(shù) - 對(duì)數(shù)期噪聲圖表示為1066 MHz的時(shí)鐘頻域短枝自由抖動(dòng);下部跡線是相同的時(shí)鐘而是用30 dB的支線30兆赫從基本頻率偏移。[!--empirenews.page--]

抖動(dòng)的效果的范圍可以從上一個(gè)信號(hào)在A / D采樣和D / A轉(zhuǎn)換時(shí)間，“噪音”的錯(cuò)誤，增加的BER(誤碼率)，增加的符號(hào)間干擾，以及許多其他的表現(xiàn)形式。常時(shí)鐘抖動(dòng)的可見的影響是，在系統(tǒng)的其它地方，如​​耐受性降低不可避免信道噪聲，這會(huì)發(fā)生作為采樣窗口縮小和ISI的眼圖閉合。抖動(dòng)和整個(gè)系統(tǒng)的性能之間的聯(lián)系，有時(shí)很難判斷，并經(jīng)常通過(guò)額外抖動(dòng)的電路的非時(shí)鐘份添加到所述時(shí)鐘信號(hào)本身復(fù)雜化。振蕩器抖動(dòng)還設(shè)立了相位噪聲地板，以dBc / Hz的，功德(FOM)的數(shù)字測(cè)量這是很重要的應(yīng)用，如高性能的接收器通道或雷達(dá)系統(tǒng)。

當(dāng)匹配時(shí)鐘發(fā)生器抖動(dòng)​​規(guī)范的應(yīng)用程序，這是最好看什么標(biāo)準(zhǔn)(如果有的話)，在業(yè)界樹立了該應(yīng)用程序(如IEEE 802.11x的)，讀了相關(guān)的應(yīng)用程序應(yīng)用筆記，并仔細(xì)研究隨著它的測(cè)試條件和腳注數(shù)據(jù)表。

實(shí)例表明多元化的產(chǎn)品

兩個(gè)時(shí)鐘振蕩器/發(fā)生器IC家庭展示如何這個(gè)基本功能已經(jīng)演變成完全不同的部件。該Silicon Labs公司組成的Si5xx組合非常適合應(yīng)用，從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，基站，存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)和廣播視頻系統(tǒng)，單板計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和電信?？稍?00 kHz至1.4 GHz的頻率，這些單路，雙路和四路I2C可編程頻率部分具有低抖動(dòng)操作。例如，Si535提供相位抖動(dòng)的0.19 ps的RMS的類型，增加了設(shè)計(jì)裕度和系統(tǒng)級(jí)性能。不同于傳統(tǒng)的XO，其中需要為每個(gè)輸出頻率不同的晶體，所述Si535使用一個(gè)固定的晶體，以提供寬范圍的輸出頻率。該IC為基礎(chǔ)的方法使晶體諧振器提供卓越的頻率穩(wěn)定性和可靠性。此外，DSPLL時(shí)鐘合成提供優(yōu)越的電源噪聲抑制，簡(jiǎn)化產(chǎn)生低抖動(dòng)時(shí)鐘中通常存在于通信系統(tǒng)的噪聲環(huán)境的任務(wù)。

類似地，供應(yīng)商的Si534是四頻晶體振蕩器，可以提供在任何頻率的單個(gè)輸出10至945兆赫和在選擇的頻率，以1400兆赫(圖4)。它的目標(biāo)是一般的無(wú)線和有線鏈路，并且由供應(yīng)商以各種用戶規(guī)范包括頻率，電源電壓配置(3.3，2.5和1.8伏)，輸出格式(CMOS，LVPECL，LVDS和CML)，和溫度穩(wěn)定性;注意，規(guī)格​​，包括抖動(dòng)會(huì)根據(jù)這些設(shè)置有所不同。在這種情況下，用戶可以選擇四個(gè)可用的頻率(出廠設(shè)置為用戶命令)的應(yīng)通過(guò)兩個(gè)控制引腳出現(xiàn)在該裝置的輸出端上的小的(5×7毫米)包8引線裝置包括內(nèi)部晶體。

Silicon Labs的XO的圖像

圖4：此Silicon Labs的XO包括一個(gè)整體的晶體;它通過(guò)與由客戶，然后誰(shuí)可通過(guò)兩個(gè)控制線調(diào)用隨時(shí)四個(gè)中的任何一個(gè)選擇的四個(gè)輸出頻率設(shè)定的廠商裝運(yùn)。

典型初始精度為±1.5ppm的在25 C，而第一年的漂移為±3ppm的并且被認(rèn)為是±10ppm的最大漂移超過(guò)20年。供應(yīng)商提供了許多抖動(dòng)規(guī)范，其中有相位抖動(dòng)(RMS)的輸出頻率500MHz以上的0.25皮秒(典型值)和0.40皮秒(最大值)，和典型的輸出相位噪聲在622.08兆赫-146 dBc的/赫茲(與LVPECL輸出)。當(dāng)在四個(gè)可能的時(shí)鐘輸出的切換建立時(shí)間為20毫秒最大。

另外值得一提的是Peregrine半導(dǎo)體PE33241它的目標(biāo)無(wú)線本地環(huán)路(WLL); RF頻率生成; L，S和C波段合成器;和時(shí)鐘恢復(fù)在通信系統(tǒng)中，移動(dòng)終端，遙測(cè)，雷達(dá)，和便攜式收音機(jī)(圖5)。此整數(shù)N鎖相環(huán)(PLL)頻率合成器的低相位噪聲的應(yīng)用程序可以使用10/11預(yù)分頻器模量和4 GHz的5/6分頻系數(shù)(后者模量的選擇提供稍好規(guī)格達(dá)到5千兆赫)。這確立輸出頻率的計(jì)數(shù)器值是可編程的用戶，可以通過(guò)它的串行接口或直接硬連線配置。相位噪聲地板FOM為-230 dBc的/赫茲這個(gè)48引腳7×7毫米QFN器件。

PE33241由Peregrine半導(dǎo)體圖片

圖5：從Peregrine半導(dǎo)體的PE33241提供根據(jù)所選擇的模量對(duì)用戶可選擇的輸出為4或5千兆赫;極低的相位噪聲樓FOM為-230 dBc的/赫茲，使得它與雷達(dá)，遙測(cè)，以及先進(jìn)的移動(dòng)無(wú)線電系統(tǒng)的一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

此IC的頻率范圍和高性能意味著評(píng)估和適當(dāng)它在給定的應(yīng)用編程可能很困難。出于這個(gè)原因，供應(yīng)商提供了一個(gè)評(píng)估電路板用的USB接口(指定EK33241-13)用外部的，穩(wěn)定的低噪聲基準(zhǔn)源(圖6)時(shí)表現(xiàn)出最佳的相位噪聲性能。在這些GHz的頻率，無(wú)處不在的FR-4 PC板材料是不適合的，所以評(píng)估板包括四個(gè)層堆疊與羅杰斯4350B的兩個(gè)外層(εR = 3.48)和FR406的兩個(gè)內(nèi)層(ε R = 4.80)的材料。的12密耳(0.30毫米)厚的內(nèi)層提供接地平面用于RF傳輸線，對(duì)于62密耳(1.57毫米)共板厚度。

Peregrine半導(dǎo)體EK33241-13的圖像

圖6：該設(shè)備提供低噪音，高性能指標(biāo)進(jìn)入GHz頻譜是具有挑戰(zhàn)性的評(píng)估和整合到整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使百富勤提供了一個(gè)USB兼容的評(píng)估板，以方便工作。

摘要

時(shí)鐘振蕩器是一個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊的“心跳”，以及他們的能力和缺陷正在建立最大可實(shí)現(xiàn)性能的最佳因素之一。有些功能只需要一個(gè)固定頻率的時(shí)鐘，而另一些則要求其中之一是固定的，但選擇不同種類的選擇(與選擇的供應(yīng)商，代工，甚至在現(xiàn)場(chǎng)完成)，甚至完全可調(diào)。關(guān)鍵參數(shù)開始頻率精度和范圍，并延伸到漂移，建立時(shí)間和抖動(dòng)。抖動(dòng)有多方面的原因，可以合理地判斷，在許多方面衡量，因此是最困難的因素進(jìn)行評(píng)估，了解，并涉及到整個(gè)系統(tǒng)的性能。