【導讀】相信大家對時鐘產(chǎn)品并不陌生，因為它在我們的電路中隨處可見，小到晶振，通常我們的MCU需要一個25MHz（或者其他頻率的）的Oscillator；或者是一個采集系統(tǒng)，里面的時鐘可能相對復雜，可能有ADC的采樣時鐘，F(xiàn)PGA的數(shù)字時鐘等，如何讓ADC前端的數(shù)據(jù)不失真的被FPGA獲取，時鐘信號非常關鍵。
在給大家?guī)鞟DI時鐘新產(chǎn)品之前，我給大家介紹兩個關鍵參數(shù)，因為在絕大多數(shù)的Timing/Clock產(chǎn)品中都會提到這兩個參數(shù)，這兩個參數(shù)分別是Jitter（時鐘抖動）和 Phase Noise（相位噪聲）。
Jitter（時鐘抖動）
時鐘抖動是一個時域的概念，是相對于理想時鐘沿實際時鐘存在不隨時間積累的、時而超前、時而滯后的偏移稱為時鐘抖動,簡稱抖動.可以用抖動頻率和抖動幅度對時鐘抖動進行定量描述。通常希望一個周期性波形(特別是時鐘)跨過特定門限的時間非常精確，與該理想值的偏差稱為抖動。時鐘抖動可以分為隨機抖動（Random Jitter，簡稱rj）和固有抖動（Deterministic Jitter），隨機抖動的來源為熱噪聲、shot noise和flick noise，與電子器件和半導體器件的電子和空穴特性有關，比如ECL工藝的PLL比TTL和CMOS工藝的PLL有更小的隨機抖動；固定抖動的來源為：開關電源噪聲、串擾、電磁干擾等等，與電路的設計有關，可以通過優(yōu)化設計來改善，比如選擇合適的電源濾波方案、合理的PCB布局和布線。簡單來說，在頻域里面隨機抖動表現(xiàn)為噪聲，固有抖動可以近似看成是諧波，毛刺。
圖1 Jitter的時域表現(xiàn)
Phase Noise（相位噪聲）
相位噪聲是頻域的概念，它通常與頻率相關，是指系統(tǒng)（如各種射頻器件）在各種噪聲的作用下引起的系統(tǒng)輸出信號相位的隨機變化。描述無線電波的三要素是幅度、頻率、相位。頻率和相位相互影響。理想情況下，固定頻率的無線信號波動周期是固定的，正如飛機的正常航班一樣，起飛時間是固定的。頻域內(nèi)的一個脈沖信號（頻譜寬度接近0）在時域內(nèi)是一定頻率的正弦波。
圖2 Typical Phase Noise Figure
怎么去理解這個圖呢？橫軸是頻率偏移，縱軸是相位噪聲，單位是dBc/Hz，咱們看綠色這條線是在622.08MHz測試的，通常規(guī)格書里面會標出-138dBc/Hz@100KHz，622.08MHz,意思是這個時鐘在622.08MHz，針對這個中心頻點，偏移100KHz的頻譜噪聲相對于載波的能量比，這個值越小，代表噪聲越小，時鐘抖動越小。
另外一方面，對于同一器件，頻率越高，相噪越差；頻率提高一倍，相噪惡劣6dB。
圖3 Jitter對采樣系統(tǒng)的影響
雙環(huán)路時鐘發(fā)生器可清除抖動并提供多個高頻輸出
隨著數(shù)據(jù)轉換器的速度和分辨率不斷提升，對具有更低相位噪聲的更高頻率采樣時鐘源的需求也在不斷增長。時鐘輸入面臨的積分相位噪聲（抖動）是設計師在設計蜂窩基站、軍用雷達系統(tǒng)和要求高速和高性能時鐘信號的其他設計時面臨的眾多性能瓶頸之一。普通系統(tǒng)有多個低頻噪聲信號，PLL 可將其上變頻至更高頻率，以便為這些器件提供時鐘。單個高頻 PLL 可以解決頻率轉換問題，但很難設計出環(huán)路帶寬足夠低，從而能夠濾除高噪聲參考影響的PLL。搭載低頻高性能VCXO 和低環(huán)路帶寬的 PLL可以清除高噪聲參考，但無法提供高頻輸出。高速和噪聲過濾可以通過結合兩個 PLL 同時實現(xiàn)：先是一個低頻窄環(huán)路帶寬器件（用于清除抖動），其后是一個環(huán)路帶寬較寬的高頻器件用于扇出高頻和提升遠端相位噪聲。
ADI雙環(huán)路時鐘發(fā)生器產(chǎn)品及應用
實用案例1：
AD9528 — JESD204B/JESD204C Clock Generator with 14 LVDS/HSTL Outputs
Application: 5G small cell — RU timing for transceiver and FPGA
Features:
1. 可支持14路LVDS/HSTL輸出，最高輸出頻率可到1.25G
2. 雙環(huán)路時鐘發(fā)生器架構，PLL1作為輸入時鐘clean up，支持110MHz的鑒相頻率，外部VCXO輸入；PLL2作為第二級鎖相環(huán)，支持275MHz的鑒相頻率，內(nèi)部集成VCO
3. 時鐘抖動小于160fs@122.88 MHz，12 kHz to 20 MHz integration range
圖4 AD9528/AD9545時鐘在Small Cell的應用
實用案例2：
HMC7044 — High Performance, 3.2 GHz, 14-Output Jitter Attenuator with JESD204B
Application: High speed data converter clocking
Features:
1. 可支持14路LVDS, LVPECL, orCML輸出，最高輸出頻率可到3.2GHz
2. 雙環(huán)路時鐘發(fā)生器架構，PLL1作為輸入時鐘clean up，支持800MHz的輸入?yún)⒖碱l率，外部VCXO輸入；PLL2作為第二級鎖相環(huán)，支持250MHz的鑒相頻率，內(nèi)部集成VCO，頻率調(diào)節(jié)范圍為2.4-3.2GHz
3. 時鐘抖動小于44fs@2457.6 MHz, 12 kHz to 20 MHz integration range
4. 超低抖動非常適合高速采集系統(tǒng)，在采樣率低于3.2G，多通道數(shù)據(jù)采集非常有優(yōu)勢，可以通過多片級聯(lián)HMC7044+HMC7043的方式實現(xiàn)多天線MIMO系統(tǒng)的時鐘同步
圖5 HMC7044/HMC7043在多通道數(shù)據(jù)轉化陣列的應用
最新寬帶時鐘產(chǎn)品ADF4377及應用
ADF4377 — Microwave Wideband Synthesizer with Integrated VCO
● Application: High speed data converter clocking above 3GHz samplerate, MxFE sample clock
● Preferred companion chip to the AD9081/2, AD9177, AD9207/9, AD9986/AD9988, and data converters such as the AD9213ADC, or the AD9689, AD9208, AD917xDAC and AD916x
Features:
1. 輸出頻率高達12.8GHz，內(nèi)置6.4-12.8GHzVCO，無需倍頻，沒有了FOUT/2和3*FOUT/2的諧波
2. 超低時鐘抖動：Jitter=18fs RMS (integration bandwidth: 100Hz to 100MHz), Jitter = 27 fs RMS (ADC SNR method)
3. 超低的寬帶噪底：?160 dBc/Hz at 12 GHz，Low In-Band Phase Noise (PhN)，In-Band PhN Floor = -239dBc/Hz (>3dB better than any other)，In-Band 1/f PhN = -147dBc/Hz (>13dB better than any other)
4. 鑒相頻率高達500MHz，輸入基準源頻率高達1GHz
圖6 ADF4377系統(tǒng)框圖
圖7 ADF4377給高速數(shù)據(jù)轉換系統(tǒng)提供低噪聲時鐘
圖8 ADF4377的時鐘抖動和相位噪聲
圖9 ADF4377給AD9082提供時鐘
圖10 ADF4377給AD9082提供時鐘，EVM測試對比
來源：Arrow
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