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關鍵字：時鐘 抖動 相位噪聲  

抖動定義為信號距離其理想位置的偏離。本文將重點研究時鐘抖動，并探討下面幾種類型的時鐘抖動：相鄰周期抖動、周期抖動、時間間隔誤差(TIE)抖動、相位噪聲及相位抖動。

時鐘抖動簡介

時鐘抖動是時鐘沿距離其理想位置的偏離。在應用中理解時鐘抖動非常重要，因為它在系統(tǒng)時序預算方面肩負關鍵角色。它還能幫助系統(tǒng)設計人員理解系統(tǒng)時序余量。隨著系統(tǒng)數(shù)據(jù)率越來越高，時序抖動在系統(tǒng)設計中已經(jīng)變得更加關鍵，如在某些案例中系統(tǒng)性能限制由系統(tǒng)時序余量來確定，因此充份了解時序抖動在系統(tǒng)設計中變得更加重要?？偠秳涌煞譃殡S機抖動和確定性抖動等分量。本文并不探討抖動的組成，而把重點放在時鐘抖動的不同類型。時鐘時序抖動可以在時域以及頻域測量。相鄰周期抖動、周期抖動及時間間隔誤差(TIE)抖動在時域測量，而相位噪聲和相位抖動在頻域測量。部分抖動源包括熱噪聲、電源噪聲、地彈噪聲(ground bounce)、鎖相環(huán)(PLL)電路、串擾及反射。圖1為時鐘抖動示例。

圖1: 時鐘抖動示例。

時鐘抖動的不同類型

（1）相鄰周期抖動：測量的是1,000個時鐘周期內(nèi)任意2個相鄰時鐘周期之間的時鐘周期(clock period)變化。

相鄰周期抖動均方根值(RMS)——測量1,000個時鐘周期內(nèi)任意2個相鄰時鐘周期之間的時鐘周期測量值偏離。

相鄰周期抖動峰-峰值——測量的是1,000個時鐘周期內(nèi)任意2個相鄰時鐘周期間的最小時鐘周期變化與最大時鐘周期變化之差。

相鄰周期抖動測量用于確定應用中的高頻抖動，因為它測量了兩個相鄰時鐘周期之間的抖動。獲得較小的逐周期抖動值非常重要，因為它影響系統(tǒng)時序余量。

（2）周期抖動：周期抖動測量的是10,000個時鐘周期波形內(nèi)某個時鐘周期的時鐘周期最大偏離。

周期抖動均方根值——測量10,000個時鐘周期內(nèi)時鐘周期測量值的標準偏離。

周期抖動峰-峰值 –測量的是10,000個時鐘周期內(nèi)最小時鐘周期與最大時鐘周期測量值之差。

周期抖動測量用于確定應用的低頻抖動，因為它藉測量10,000個時鐘周期內(nèi)的時鐘周期偏離來測量抖動。周期抖動用于計算系統(tǒng)時序余量。圖2是森美半導體可編程時鐘NB3N3020的周期抖動測量示例。

圖2：安森美半導體可編程時鐘NB3N3020的周期抖動測量示例：

安森美半導體的可編程時鐘NB3N3020擁有極佳的可編程時鐘抖動性能，典型周期抖動均方根值為3皮秒(ps)。

（3） 時間間隔誤差(TIE)抖動

時間間隔誤差或TIE抖動測量的是時鐘每個工作沿(active edge)與相應理想時鐘沿的距離。

*時間間隔誤差(TIE)抖動均方根值——測量時序誤差的標準偏離

* 時間間隔誤差(TIE)峰-峰值——測量最小與最大時序誤差之差

時間間隔誤差抖動對時鐘及數(shù)據(jù)恢復(CDR)PLL很重要，它顯示CDR中的PLL是否能夠追蹤涌入的數(shù)量流。時間間隔誤差抖動較大就表明該CDRPLL無法恰當?shù)刈粉櫽咳霐?shù)據(jù)流的變化。圖3是安森美半導體NB3N3002時鐘產(chǎn)生器TIE抖動測量示例。

圖3：安森美半導體NB3N3002時鐘產(chǎn)生器TIE抖動測量示例：

（4）相位噪聲：相位噪聲在頻域測量，是在給定載波信號偏移條件下額定1Hz帶寬處的信號功率與噪聲功率之比值。安森美半導體的時鐘產(chǎn)品擁有極佳的相位噪聲性能，如NB3N3002/NB3N5573時鐘產(chǎn)生器具有下述相位噪聲性能：

OffsetNoise Power

100Hz -103dBc/Hz

1kHz -118dBc/Hz

10kHz-122dBc/Hz

100kHz -130dBc/Hz

1MHz -132dBc/Hz

10MHz-149dBc/Hz

相位抖動：相位抖動是藉載波信號特定頻率偏移范圍內(nèi)對相位噪聲積分來測量的。相位抖動測量的是與載波信號總能量相對應的載波信號特定頻率偏移中的能量，測量方式是對相位噪聲圖下的面積進行積分。例如，同步光網(wǎng)絡(SONET)使用距離載波信號有12kHz至20MHz的頻率偏移，對相位噪聲圖下的面積積分，從而測量相位抖動。光纖信道(FC)則使用距離載波信號637KHz到10MHz的頻率偏移來對相位噪聲圖下的面積積分，從而測量相位抖動。

相位噪聲及相位抖動測量示例

安森美半導體的PureEdge PLL的典型相位抖動低于0.5ps。圖4的相位噪聲圖顯示了安森美半導體晶體振蕩器產(chǎn)品系列中的一款PureEdgePLL器件NBXDBA018的性能。這器件產(chǎn)生155.52MHz/311.04MHz的雙頻低壓正射極耦合邏輯(LVPECL)輸出，滿足SONET應用的抖動要求。

圖4：相位噪聲圖顯示安森美半導體PureEdge PLL的典型相位抖動低于0.5ps。

總結：

本文介紹了時鐘抖動并闡釋了時鐘抖動的不同類型以及各種類型時鐘抖動測量的意義。本文還給出了不同類型時鐘抖動測量的示例。隨著系統(tǒng)數(shù)據(jù)率增高，有時候系統(tǒng)性能限制由系統(tǒng)時序余量確定，因此，理解時序時鐘抖動對系統(tǒng)設計人員很重要。

參考資料：

1、 Tektronix – Understanding and Characterizing Timing Jitter

作者: Baljit Chandhoke

安森美半導體高級應用工程師