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可编程时钟振荡器驱动系统,射频载波

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发表于 2015-10-23 09:28:12 | 显示全部楼层 |阅读模式
     摘要
时钟振荡器是一个系统的各个功能模块的“心跳”,以及他们的能力和缺陷正在建立最大可实现性能的最佳因素之一。有些功能只需要一个固定频率的时钟,而另一些则要求其中之一是固定的,但选择不同种类的选择(与选择的供应商,代工,甚至在现场完成),甚至完全可调。关键参数开始频率精度和范围,并延伸到漂移,建立时间和抖动。抖动有多方面的原因,可以合理地判断,在许多方面衡量,因此是最困难的因素进行评估,了解,并涉及到整个系统的性能。
     时钟和时钟振荡器(也称为时钟发生器)几乎每电路的一部分,并且大多数系统具有多于一个在其设计中。事实上,这是不寻常的有四个,六个或更多的在设计,支持内部电路以及外部I / O和接口。他们建立最终的载体设定(S)或重新建立和同步到所接收的信号载体。此外,许多系统需要改变或移位时钟,以容纳调谐要求多单端应用情况的能力。
     时钟提供的功能性和服务中的各种应用功能的大跨度,也遭受相当大的命名法,并设有混乱重叠术语如时钟,振荡器,发电机,和合成器,等等。
固定频率的时钟被用于起搏处理器,存储器,以及其他外围设备。在同一个家庭的一系列同类产品中可能需要不同的时钟频率,支持多种速度选项或功能。这些固定频率的时钟也可以作为在有线和无线链路的基本定时基准。有些钟“的组件包括一个水晶或者是他们用它来生产它们的输出等定时源;另一些则要求用户提供外部晶振。
     一些固定频率器件是可编程的,从而在同一台设备可用于跨越一个以上的BOM(物料清单),以简化库存,但即使是“可编程”的设备提供误解的可能性。他们可能是一次性可编程在他们的供应商,在OEM生产线一次性可编程,引脚带可编程在电路板上,或软件编程,甚至可重编程“飞”。另外,还有一些甚至可改变几次,以适应不同的生产和应用的需求可编程时钟可被重新编程的次数有限,具有频率。要添加到潜在的复杂性,一些时钟振荡器提供多个,同时独立输出,因此单个晶体和器件可提供多种时钟,大多数系统需要。
      此外,存在其中使用单一晶体或主时钟,以产生一个指定范围内的任意频率输出合成。与基本时钟振荡器,一些合成器设置一次固定的,其它的是动态可设置可根据需要提供的任何频率(通常是载体)在指定的光谱。
      在无线系统中,有两个时钟基本组:那些固定频率用于在信道设置基本定时,如一个点对点的专用链路,并且时钟其频率根据需要,以支持不同的信道,例如,可移跳频在一个Wi-Fi连接。
选择注意事项
      鉴于所有的时钟选择,它可以是一个挑战决定哪些基本时钟的方法是合适的。然而,这个过程可以通过集中于初级规格被简化,因为不是所有的时钟配置选项具有可比较的规格。只有符合这些顶级要求的设备可以以各种配置来考虑。一如往常,也有折中的性能要针对的性能属性加权评估。
最关键的形态是时钟,这对于大多数的无线应用将跨越几百MHz到GHz范围的最大标称频率的能力。为可编程器件,这两个最大和最小的值是至关重要的;时钟IC通常具有10:1或5:1最大值/最小值跨度。
      另一个重要规格是初始频率误差(公差)在给定的设置,以百分比表示,赫兹,或每百万份。取决于标称频率如果时钟不是一个固定频率的设备本数量可以改变。
      所有的振荡器,都受到漂移。如果该器件包含一个内部晶体,或者用模拟电路来调节和扩展外部晶体,它会经历与温度漂移的一些;如果它是一个全数字化的设备,漂移会少一些,尽管仍然会有一定的阈值和逻辑门的时间会稍微偏移。温度系数为高性能振荡器通常用ppm / C,值的范围从大约10到几百。上可接受的最大值当然取决于具体的应用,。
      对于振荡器的频率通过用户启动的调谐或模式切换使用期间动态地切换,而不是改变仅在初始加电时,一个关键的参数是建立时间到新的频率。取决于振荡器的结构,这可以是一个合成器或基于PLL的设计,或一个较大幅度的周期几乎是瞬时的。即使核心电路回转时,没有不连续性(如某些架构做),可能有一个稳定时间的问题,如果在相关的输出缓冲放大器或驱动程序必须摆动在大范围内。一般,小的频率变化不具有挑战性的,但很宽变化可以具有较长的稳定时间;在现实中,很少有应用中,振荡器必须迅速转变了其全系列。
     漂移也是在许多情况下考虑。时钟与内部晶体表现出短期和长期漂移由于晶体老化,虽然这些术语可以有不同的定义与每个供应商。一些定义“短期”的一年“长期”的五年,十年,甚至二十年。最后,功耗和封装尺寸因子到决策,但这些问题通常是次要的相比,基本性能规格。在一般情况下,低功耗器件具有较低的规格比那些其消耗更多的功率,但是这是一个领域,在工艺,设计的进步和​​测试意味着权衡是在不断变化。
     抖动:原因是多方面的最具挑战性的问题
      其中工程师中的振荡器选择作出决定时,必须评估最关键的参数,抖动是最困难的表征和匹配的应用程序。在时域,抖动表现为从“完美”的输出(图1)的微小变化;在频域中,它显示为相位/频率变化(噪声)和单频信号的频谱变宽(图2)。这两种观点都是同样有效的看同一个物理现象的方式,而这是更好的角度视情况而定,适用的标准和系统的性能要求。
抖动的图像出现微小变化,从“完美”的输出
图1:在时域中,理论上“完美”的时钟信号(顶部)示分钟回的往复变化(底部),它被定义为抖动。
单频信号的频谱的图像
图2:在频域中的同样合法另一种观点,完美单频尖峰(顶部)成为扩展的频率分量和相关联的能量(下)。
抖动是一个复杂的问题,往往具有挑战性量化为几个原因。它通常是比较小的,但相对于该系统的性能仍是一个显著因子;它有很多贡献源包括内部电路的噪声,外部来源的噪声,元件热噪声,分量不完善的地方,和热致机械变化。作为一种概率性的特征,有来定义它没有唯一正确的或简单的方法;所使用的许多定义中的峰值,有效值,平均而言,短期变化和长期平均水平,等等。抖动也可以显示为非谐波相关的杂散频率的输出,在从基频一段距离(图3a和3b)。
抖动相关马刺图片是不需要的频率分量
图3a和3b:抖动相关马刺不需要的频率分量不属于谐波相关的根本;上部迹线是对数 - 对数期噪声图表示为1066 MHz的时钟频域短枝自由抖动;下部迹线是相同的时钟而是用30 dB的支线30兆赫从基本频率偏移。
      抖动的效果的范围可以从上一个信号在A / D采样和D / A转换时间,“噪音”的错误,增加的BER(误码率),增加的符号间干扰,以及许多其他的表现形式。常时钟抖动的可见的影响是,在系统的其它地方,如​​耐受性降低不可避免信道噪声,这会发生作为采样窗口缩小和ISI的眼图闭合。抖动和整个系统的性能之间的联系,有时很难判断,并经常通过额外抖动的电路的非时钟份添加到所述时钟信号本身复杂化。振荡器抖动还设立了相位噪声地板,以dBc / Hz的,功德(FOM)的数字测量这是很重要的应用,如高性能的接收器通道或雷达系统。
     当匹配时钟发生器抖动​​规范的应用程序,这是最好看什么标准(如果有的话),在业界树立了该应用程序(如IEEE 802.11x的),读了相关的应用程序应用笔记,并仔细研究随着它的测试条件和脚注数据表。
实例表明多元化的产品
     两个时钟振荡器/发生器IC家庭展示如何这个基本功能已经演变成完全不同的部件。该Silicon Labs公司组成的Si5xx组合非常适合应用,从网络设备,基站,存储区域网络和广播视频系统,单板计算机进行数据通信和电信。可在100 kHz至1.4 GHz的频率,这些单路,双路和四路I2C可编程频率部分具有低抖动操作。例如,Si535提供相位抖动的0.19 ps的RMS的类型,增加了设计裕度和系统级性能。不同于传统的XO,其中需要为每个输出频率不同的晶体,所述Si535使用一个固定的晶体,以提供宽范围的输出频率。该IC为基础的方法使晶体谐振器提供卓越的频率稳定性和可靠性。此外,DSPLL时钟合成提供优越的电源噪声抑制,简化产生低抖动时钟中通常存在于通信系统的噪声环境的任务。
    类似地,供应商的Si534是四频晶体振荡器,可以提供在任何频率的单个输出10至945兆赫和在选择的频率,以1400兆赫(图4)。它的目标是一般的无线和有线链路,并且由供应商以各种用户规范包括频率,电源电压配置(3.3,2.5和1.8伏),输出格式(CMOS,LVPECL,LVDS和CML),和温度稳定性;注意,规格​​,包括抖动会根据这些设置有所不同。在这种情况下,用户可以选择四个可用的频率(出厂设置为用户命令)的应通过两个控制引脚出现在该装置的输出端上的小的(5×7毫米)包8引线装置包括内部晶体。
Silicon Labs的XO的图像
图4:此Silicon Labs的XO包括一个整体的晶体;它通过与由客户,然后谁可通过两个控制线调用随时四个中的任何一个选择的四个输出频率设定的厂商装运。
     典型初始精度为±1.5ppm的在25 C,而第一年的漂移为±3ppm的并且被认为是±10ppm的最大漂移超过20年。供应商提供了许多抖动规范,其中有相位抖动(RMS)的输出频率500MHz以上的0.25皮秒(典型值)和0.40皮秒(最大值),和典型的输出相位噪声在622.08兆赫-146 dBc的/赫兹(与LVPECL输出)。当在四个可能的时钟输出的切换建立时间为20毫秒最大。
     另外值得一提的是Peregrine半导体PE33241它的目标无线本地环路(WLL); RF频率生成; L,S和C波段合成器;和时钟恢复在通信系统中,移动终端,遥测,雷达,和便携式收音机(图5)。此整数N锁相环(PLL)频率合成器的低相位噪声的应用程序可以使用10/11预分频器模量和4 GHz的5/6分频系数(后者模量的选择提供稍好规格达到5千兆赫)。这确立输出频率的计数器值是可编程的用户,可以通过它的串行接口或直接硬连线配置。相位噪声地板FOM为-230 dBc的/赫兹这个48引脚7×7毫米QFN器件。
PE33241由Peregrine半导体图片
图5:从Peregrine半导体的PE33241提供根据所选择的模量对用户可选择的输出为4或5千兆赫;极低的相位噪声楼FOM为-230 dBc的/赫兹,使得它与雷达,遥测,以及先进的移动无线电系统的一个不错的选择。
        此IC的频率范围和高性能意味着评估和适当它在给定的应用编程可能很困难。出于这个原因,供应商提供了一个评估电路板用的USB接口(指定EK33241-13)用外部的,稳定的低噪声基准源(图6)时表现出最佳的相位噪声性能。在这些GHz的频率,无处不在的FR-4 PC板材料是不适合的,所以评估板包括四个层堆叠与罗杰斯4350B的两个外层(εR = 3.48)和FR406的两个内层(ε R = 4.80)的材料。的12密耳(0.30毫米)厚的内层提供接地平面用于RF传输线,对于62密耳(1.57毫米)共板厚度。
Peregrine半导体EK33241-13的图像
图6:该设备提供低噪音,高性能指标进入GHz频谱是具有挑战性的评估和整合到整个系统的设计,使百富勤提供了一个USB兼容的评估板,以方便工作。


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