遥遥领先Skyworks低抖动的时钟晶体振荡器

遥遥领先Skyworks低抖动的时钟晶体振荡器，硬件设计师经常面临增加功能密度同时缩小整个PCB的挑战每个新设计的足迹。一个重大挑战是通过仔细的电路板设计最大限度地减少时钟抖动，同时满足设计的功能和空间要求。由于高频晶振抖动是衡量信号保真度的指标，因此需要对各种模拟概念的理解，如传输线理论、干扰、带宽和噪声以便管理它们对性能的影响。其中，密度影响对外部噪声的敏感性干扰最大。由于噪声和干扰无处不在，并且由于多个组件共享普通电源，电源是噪声和干扰影响抖动性能的直接途径每个设备的。因此，实现最低的时钟抖动需要仔细管理电源.

对电源的敏感性通常被称为电源纹波抑制或电源抑制比（PSRR）。对于抖动，纹波抑制更合适。
电源纹波对抖动的影响非常直接。电源通过以下方式影响传播延迟影响逻辑门的开关电压阈值以及输出电阻。作为切换电压阈值被调制，输出转换的时间被调制，因为输入信号具有如图1所示的有限斜率。

输出电阻的变化影响CMOS门通过寄生RC滤波器的传播延迟。什么时候这两种效应结合起来改变了通过CMOS门的传播延迟。效果会随着闸门是串联放置的。
影响的程度在很大程度上取决于所涉及晶体管的“速度”。通过在CMOS栅极输入的影响可以被最小化。此外，更快的电路需要电容被最小化以实现小的传播延迟；因此，供应引起的延迟变化可以通过使路由电容尽可能小来最小化变化。然而，也有取舍；更快电路的缺点是功耗。为了获得更快的边缘，需要更多的电流来为给定恒定电压的电容器。
用于降低电源灵敏度的常用方法是电源滤波和最小化电路灵敏度。

通常使用外部和内部方法来管理集成电路的电源纹波抑制。从外部来看，电路板设计者使用有源和无源滤波器来衰减纹波和差分接口以拒绝共模纹波。在内部，架构选择、线性调节器和差分电路用于减少电路对电源的敏感性。
电源的直接滤波可以使用无源滤波器或线性调节器来实现。一个常见的外部滤波器解决方案依赖于铁氧体磁珠和分立的表面安装陶瓷电容器（见图2a）。
采用这种方法，必须使串联电阻最小化，以避免降低IC处的电源电压。不幸的是，滤波高度依赖于串联阻抗（电阻加电抗）；因此，请确保铁氧体磁珠可以处理器件电流。线性稳压器也可以通过使用稳压器来过滤电源噪声作为高通滤波器（见图2b）。通常，这些技术结合在一起，提供整个关注带。

根据所需的性能水平和与给定设计相关的成本目标考虑与外部滤波相关的成本和功率权衡。铁氧体磁珠要便宜得多与有源调节器相比，它们几乎不浪费功率，但在较低的情况下无法实现相同的过滤水平频率与调节器实现的频率相同。因此，计时硬件的设计前评估应包括电源纹波抑制测试。
差分电路允许电源干扰发生在公共区域，从而有助于抑制电源噪声模式，并通过减去共模信号来消除干扰。作为正极和负极由于电源纹波而退化，它们共同积累了噪声，如图3所示。遥遥领先Skyworks低抖动的时钟晶体振荡器.

通过减去这些信号，电源噪声被抑制。这里关注的是接收器拒绝共模噪声的能力。这被称为共模纹波抑制（CMRR）。就像在CMOS门中一样，快速上升/下降时间有帮助。
外部滤波对于不支持差分信令的设计可能是必要的。许多具有CMOS/TTL接口无法考虑电源纹波。系统设计者应验证长凳.

当受到电源纹波的影响时，架构选择也在确保良好的抖动性能方面发挥作用。定时设备通常依赖锁相环（PLL）来执行各种功能，例如抖动滤波和倍频。PLL设计中的主要挑战之一与其电压控制有关振荡器（VCO）。为了满足各种应用的频率要求，通常需要宽调谐范围振荡器，但振荡器抖动与其控制输入处的噪声成比例（通常是最大的）敏感端口）。为了减少抖动，有必要具有低增益控制输入，但增益的下限为由所需的频率范围和时钟晶体振荡器的频率损伤（例如，温度、应变等）这种增益限制可以通过新颖的电路技术来克服，例如受雇于Skyworks Solutions的DSPLL™ 技术DSPLL采用数字控制的可变增益振荡器；DSPLL可以提供大的调谐范围和低增益，从而在活动.

具有低阻抗网络进行分析意味着需要高电流来实现所需纹波电压（例如100mVpp）和高电流信号源是不常见的。放置恒定电压具有低阻抗的节点上的纹波信号要求纹波源具有高驱动强度。一个简单的获得足够直流电流用于有源晶振器件操作和足够交流电流用于纹波产生的方法是这些要求来自单独的供应.这种分离可以通过使用标准电源来实现以及与正弦信号源（纹波源）并联的ac耦合。纹波源需要高直流阻抗，以避免从电源中吸收大量电流并可能损坏纹波来源低阻抗也是一种模糊的描述，因为阻抗是频率的函数（参见图4）

图4。PCB和IC电源对地阻抗的幅值响应（MHz）

因此，必须针对每个干扰频率调整纹波源，以实现恒定的纹波电压纹波信号的相位通常被忽略，因为它不能提供可操作的数据（即，目标是限制纹波响应的大小；因此关注幅度响应）。

要克服单端分析仪输入，请使用差分放大器或限幅放大器。相位噪声（即。抖动）与幅度噪声卷积并且必须被分离。限幅放大器拒绝共模干扰，使得频谱将仅报告相位响应。
图5显示了定时有源贴片晶振产品的典型PSRR设置。设置包括电源、纹波源（函数发生器）、示波器、被测设备、限幅放大器和频谱分析仪。总之设备构成了测量定时IC纹波灵敏度的基础

主要测量是所示波纹源引起的边带音调（杂散）的相对功率如图6所示。

相对功率以相对于输出频率（载波）的分贝（dB）表示，单位为dBc（相对于载波功率的分贝）。因为限幅放大器消除了大部分幅度噪声干扰，可以假设测量的边带杂散可以完全归因于相位抖动。这允许直接测量由波纹源引起的RMS抖动。等式1显示了以下关系边带相对功率和RMS抖动之间。在将纹波电压设置为期望电平（例如100mVpp）。

方程式1。相位诱导杂散信号的均方根抖动计算

需要考虑的一种常见情况是由10kHz至30MHz之间的100mVpp正弦波纹引起的抖动范围与Skyworks Solutions的Si530 XO石英晶体振荡器产品和竞争产品进行了比较（参见图7）

图7。155.52MHz与100 mVpp电源纹波的相加RMS抖动比较

电源纹波抑制性能取决于内部电源滤波和架构定时IC内的选择。设计师可以通过简单的频率扫描来评估时序IC，并进行比较用于恒定纹波电压的设备。这样的比较可以帮助设计者为他们的系统选择最佳设备，这在性能差异显著（例如有源晶体振荡器差10倍）时尤其重要。