現(xiàn)在的石英晶體振蕩器都往高性能方向設(shè)計(jì),那什么樣的振蕩器才稱得上高性能呢?普通的振蕩器不屬于高性能,所謂的高性能指的是具備特殊的低相位抖動(dòng),低相位噪聲,低G靈敏度,寬溫,頻率范圍大,頻率偏差精準(zhǔn)度高的,才能被稱做高性能.主要應(yīng)用到高速串行,以太網(wǎng),局域網(wǎng),蜂窩,無(wú)線,通信,軍工等多種高端領(lǐng)域,本文主要為大家講解,低抖動(dòng)在高性能的Pletronics Oscillator設(shè)計(jì)中有多重要,Pletronics晶振公司是美國(guó)知名的晶體振蕩器制造商.
高速串行總線架構(gòu)是當(dāng)今高性能設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn).雖然并行總線標(biāo)準(zhǔn)正在發(fā)生一些變化,但串行總線在多個(gè)市場(chǎng)和設(shè)備上建立-計(jì)算機(jī),手機(jī),娛樂(lè)系統(tǒng)等.串行總線在電路和電路板布局中提供了性能優(yōu)勢(shì)和設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化(更少的跡線).串行數(shù)據(jù)鏈路表現(xiàn)為當(dāng)今知情世界的動(dòng)脈,因?yàn)樗鼈冊(cè)谔幚硐到y(tǒng)中將數(shù)據(jù)從一個(gè)點(diǎn)傳輸?shù)搅硪粋€(gè)點(diǎn).為了確保準(zhǔn)確的傳送和接收,數(shù)字系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)由時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)(CDR)電路控制,該電路然后表現(xiàn)為數(shù)據(jù)系統(tǒng)中的握手.準(zhǔn)確接收和解釋數(shù)據(jù)的關(guān)鍵在于精確了解時(shí)鐘邊緣在任何時(shí)間點(diǎn)的”位置”.
由于發(fā)送和接收設(shè)備可以位于任何地方-從同一桌面到世界的另一端,因此每個(gè)不同的位置或環(huán)境都會(huì)影響時(shí)鐘晶振邊緣從發(fā)送數(shù)據(jù)到發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間如何漂移.設(shè)備接收和解釋數(shù)據(jù)的時(shí)間.這些影響很多,包括溫度,物理運(yùn)動(dòng)/振動(dòng),甚至是時(shí)鐘信號(hào)發(fā)起的架構(gòu).凈結(jié)果要么是否具有準(zhǔn)確數(shù)據(jù),否則“不”顯然不是任何系統(tǒng)中的選項(xiàng).對(duì)于最終用戶而言,這可能意味著較差的體驗(yàn)質(zhì)量以及對(duì)互聯(lián)網(wǎng)會(huì)話和相關(guān)服務(wù)的干擾(即語(yǔ)音質(zhì)量差,視頻內(nèi)容的觀看體驗(yàn)不均勻或數(shù)據(jù)文件內(nèi)容損壞).性能特性是時(shí)鐘邊緣與預(yù)期精確度的精確度量,稱為“抖動(dòng)”.通常在測(cè)量中使用三種抖動(dòng)量化:
1.相位/RMS抖動(dòng)-可被視為精細(xì)焦點(diǎn)測(cè)量.這通常稱為”絕對(duì)抖動(dòng)”,即通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量信號(hào)的相位噪聲,通常顯示時(shí)鐘邊緣位置的總差異和整體差異(圖A);
2.峰值抖動(dòng)和峰峰值抖動(dòng),每個(gè)抖動(dòng)可被視為”過(guò)程”測(cè)量,并分為兩個(gè)特征:
一個(gè).周期抖動(dòng)(又稱周期抖動(dòng))任何一個(gè)時(shí)鐘周期與理想或平均時(shí)鐘周期之間的差異-通常通過(guò)用示波器測(cè)量有源晶振信號(hào)周期來(lái)揭示(圖B),以及灣周期間抖動(dòng)-任意兩個(gè)相鄰時(shí)鐘周期的持續(xù)時(shí)間差異.對(duì)于微處理器和RAM接口中使用的某些類型的時(shí)鐘生成電路而言,這也很重要,并且還可以使用示波器進(jìn)行測(cè)量(圖C).抖動(dòng)性能/規(guī)格限制已由ITU-T,Telcordia和IEEE等標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)確定.本機(jī)以太網(wǎng)(IEEE)上的抖動(dòng)規(guī)范和測(cè)試方法與SDH/SONET/SyncE(ITU-T,Telcordia)的規(guī)范和測(cè)試方法不同.

抖動(dòng)生成

隨著下一代串行標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)速率的提高,模擬異常對(duì)信號(hào)完整性和質(zhì)量的影響比以往任何時(shí)候都大.信號(hào)路徑中的導(dǎo)體,包括電路板走線,過(guò)孔,連接器和布線,表現(xiàn)出更大的傳輸線效應(yīng),回波損耗和反射會(huì)降低信號(hào)電平,引起偏移,并增加噪聲,從而產(chǎn)生抖動(dòng).然而,一切都始于基本系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)(SYSCLK或主時(shí)鐘).除了時(shí)鐘信號(hào)的顯著性能特征之外,創(chuàng)建信號(hào)的成本可以在10倍以上變化-取決于所使用的架構(gòu)和設(shè)計(jì)方法.為了幫助實(shí)現(xiàn)沒(méi)有過(guò)多性能保護(hù)帶的系統(tǒng)設(shè)計(jì)(因此成本過(guò)高),本文重點(diǎn)介紹用于創(chuàng)建符合每個(gè)特定高速串行數(shù)據(jù)(HSSD)的時(shí)鐘信號(hào)的不同架構(gòu)的更新.實(shí)施方案.特定的抖動(dòng)類型,定義和一致性測(cè)試方法已經(jīng)有很好的文檔記錄,這里不再重復(fù).
用于創(chuàng)建系統(tǒng)時(shí)鐘的流行基礎(chǔ)組件是石英晶體振蕩器(XO),這是一種已經(jīng)使用多年的技術(shù).晶體振蕩器本身具有固有的抖動(dòng)特性,其輸出抖動(dòng)將根據(jù)設(shè)計(jì)/電路和單價(jià)而變化.智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員意識(shí)到系統(tǒng)/產(chǎn)品/設(shè)計(jì)的總成本本身就是一個(gè)需要滿足的“規(guī)范”.本文介紹了每種信號(hào)創(chuàng)建方法以及推薦表,以幫助潛在用戶承擔(dān)比必要更高的組件成本.
SYSCLK起源方法
基本的無(wú)褶邊晶體振蕩器采用石英晶體,并與簡(jiǎn)單的電路一起使用,以在晶體的基本模式下運(yùn)行,并創(chuàng)建方波輸出.該架構(gòu)為峰峰值和RMS抖動(dòng)提供了最佳性能,在頻率高達(dá)50Mhz時(shí)通常是最具成本效益的.為了以盡可能低的抖動(dòng)達(dá)到更高的頻率,使用稱為高頻基波(“HFF”)的技術(shù).可以使晶體以其泛音模式之一振動(dòng),這發(fā)生在基本諧振頻率的奇數(shù)倍數(shù)附近.這種晶體被稱為第3,第5,第7......等泛音(OT)晶體.為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn),振蕩器電路通常包括額外的設(shè)計(jì)元件以選擇所需的泛音.相關(guān)地,在典型的應(yīng)用中,可以有效地執(zhí)行使晶體在其第三泛音上工作以達(dá)到高達(dá)3x50Mhz=150Mhz的頻率的架構(gòu).
更高泛音的操作需要更復(fù)雜的電路,并且一些振蕩器公司正致力于增加石英晶體基本和第三泛音諧振技術(shù),以支持例如70.8333Mhzx3=212.500Mhz的10Gb光纖通道.這些努力的重點(diǎn)是提供最低的抖動(dòng)主時(shí)鐘性能-隨著數(shù)據(jù)總線速度的不斷提高而需要.盡管如此,這項(xiàng)技術(shù)仍處于高級(jí)階段,所有晶體振蕩器供應(yīng)商都無(wú)法提供.
已經(jīng)成功使用的另一種技術(shù)是集成整數(shù)乘法器.在這些器件中,通過(guò)將輸入信號(hào)鎖定到以晶體頻率的直接整數(shù)倍(2x,3x,4x......等)運(yùn)行的集成電壓控制振蕩器,然后二進(jìn)制分頻回到所需的op-,可以提高頻率.降低頻率.可以采用的另一種方法是諧波乘法.這在技術(shù)上類似于晶體泛音利用,不同之處在于來(lái)自晶體振蕩器(不是晶體)的輸出信號(hào)乘以整數(shù)值.除了電路積分中的損耗和其他折衷之外,抖動(dòng)性能比直接(即泛音模式的晶體基本)頻率產(chǎn)生的因子20LogN(其中N是整數(shù)倍增因子)惡化.
因此,盡管基頻,諧波和/或諧波頻率生成是可能的,但與集成整數(shù)乘法相比,這些技術(shù)通常成本和復(fù)雜性都是過(guò)高的,這可以滿足抖動(dòng)要求,盡管余量較小.為了避免任何不必要的成本溢價(jià),設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)裕量期間需要關(guān)注的是計(jì)算輸出信號(hào)抖動(dòng)的特定帶寬.
所使用的第三種技術(shù)被稱為集成的分?jǐn)?shù)N乘數(shù).這是輸入信號(hào)的頻率可以轉(zhuǎn)換成幾乎任何其他相關(guān)的頻率-整數(shù)的地方.例如,25Mhz石英晶體諧振器頻率可以通過(guò)25.78125的分?jǐn)?shù)乘法轉(zhuǎn)換為644.53125Mhz.由于超出本文預(yù)期目的和深度的原因,這會(huì)導(dǎo)致最大量的信號(hào)抖動(dòng).同樣,它對(duì)于某些系統(tǒng)來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠,并且在215Mhz以上的頻率下使用是最具成本效益的.
晶體振蕩器輸出邏輯
在前一節(jié)中,討論了生成CLK的方法及其如何影響抖動(dòng)性能.無(wú)論實(shí)現(xiàn)架構(gòu)是基本結(jié)構(gòu)還是泛音晶體,N乘法器或分?jǐn)?shù)N乘法器,晶體振蕩器還包含依照現(xiàn)有邏輯技術(shù)的輸出驅(qū)動(dòng)器.輸出邏輯兼容性的具體類型可以是低壓CMOS(LVCMOS),低壓,正電源發(fā)射極耦合邏輯(LVPECL),低壓差分晶體振蕩器信號(hào)(LVDS)和/或高速電流控制邏輯(HCSL).輸出邏輯類型主要與給定應(yīng)用類型內(nèi)的處理設(shè)備的邏輯接口的輸出頻率和/或通用性有關(guān).例如,PCIeSY SCLK的主要邏輯類型是HCSL.
晶體振蕩器輸出邏輯兼容性通常會(huì)使處理器件邏輯的開(kāi)發(fā)滯后6到12個(gè)月,有時(shí)甚至更長(zhǎng).邏輯翻譯器在過(guò)渡期間使用.這種情況的一個(gè)例子是轉(zhuǎn)換最小化差分信令(TMDS).TMDS用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的某些應(yīng)用(例如:HDMI),但目前不能作為晶體振蕩器輸出邏輯的選擇.輸出邏輯類型的重要性在于通過(guò)將石英振蕩器(和任何附加輸出轉(zhuǎn)換設(shè)備)連接到處理設(shè)備而引入的“接口抖動(dòng)”的貢獻(xiàn).通常,具有最快轉(zhuǎn)換時(shí)間(例如,上升/下降時(shí)間)到“眼圖”的邏輯類型將導(dǎo)致最低的接口抖動(dòng).
選擇最佳CLK時(shí)鐘源設(shè)備
無(wú)論性能規(guī)范,規(guī)范要求或特定的PHY芯片組/執(zhí)行方法如何,最重要的規(guī)范都是實(shí)現(xiàn)的成本效益.所有商業(yè)和工業(yè)系統(tǒng)都滿足所有性能要求,但總成本高于市場(chǎng)要求,沒(méi)有任何價(jià)值.

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低抖動(dòng)在Pletronics Oscillator高性能設(shè)計(jì)中的重要性

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