【導讀】通過為係統組件確定步調，時鍾振蕩器為現代電路提供定時。隨著係統速度提高到數百 MHz 或更高，這些時鍾必須更快並具有極低的抖動，通常低於 100 飛秒 (fs)，以保持係統性能。這些時鍾還必須長期保持低抖動規格，且不受溫度和電壓的影響。

通過為係統組件確定步調，時鍾振蕩器為現代電路提供定時。隨著係統速度提高到數百 MHz 或更高，這些時鍾必須更快並具有極低的抖動，通常低於 100 飛秒 (fs)，以保持係統性能。這些時鍾還必須長期保持低抖動規格，且不受溫度和電壓的影響。

某(mou)些(xie)抖(dou)動(dong)是(shi)由(you)信(xin)號(hao)路(lu)徑(jing)噪(zao)聲(sheng)和(he)失(shi)真(zhen)引(yin)起(qi)的(de)
，使(shi)用(yong)重(zhong)複(fu)時(shi)鍾(zhong)和(he)重(zhong)定(ding)時(shi)技(ji)術(shu)可(ke)以(yi)在(zai)一(yi)定(ding)程(cheng)度(du)上(shang)減(jian)少(shao)抖(dou)動(dong)。不(bu)過(guo)，抖(dou)動(dong)也(ye)是(shi)由(you)時(shi)鍾(zhong)源(yuan)產(chan)生(sheng)的(de)，時(shi)鍾(zhong)源(yuan)通(tong)常(chang)是(shi)振(zhen)蕩(dang)器(qi)。這(zhe)是(shi)由(you)於(yu)各(ge)種(zhong)物(wu)理(li)現(xian)象(xiang)造(zao)成(cheng)的(de)，包(bao)括(kuo)熱(re)噪(zao)聲(sheng)
、工藝缺陷、電源噪聲
、進入時鍾振蕩器的其他外部噪聲、cailiaoyingliyijixuduoqitaweimiaodeyinsu。wulunshizhongdoudongdelaiyuanruhe，shejirenyuandoubixujinyiqiekenengjiangguyoushizhongdoudongjiangzhizuidi，yinweizhezhongquexianshibukenizhuande。

本文將將從多個角度討論抖動問題。然後介紹 Abracon LLC 推出的不同時鍾振蕩器，並說明如何通過使時鍾振蕩器的性能與應用相匹配來最大限度地減少抖動。

抖動基礎知識

shizhongdoudongshizhishizhongbianyanyuqilixiangshijianweizhidepiancha。zhezhongdoudonghuiyingxiangshizhongxinhaoquedingbutiaoshideshujuxinhaochuanshudedingshijingduhezhunquexing，congerdaozhizaijieshouqijiema/解調電路或其他係統 IC 端的信噪比 (SNR) 下降。這將造成誤碼率 (BER) 升高，重傳次數增加以及有效數據吞吐量降低。

鑒於其重要性
，在通過電纜
、連(lian)接(jie)器(qi)或(huo)電(dian)路(lu)板(ban)將(jiang)信(xin)號(hao)從(cong)發(fa)射(she)源(yuan)傳(chuan)遞(di)到(dao)接(jie)收(shou)器(qi)的(de)係(xi)統(tong)中(zhong)對(dui)時(shi)鍾(zhong)抖(dou)動(dong)進(jin)行(xing)了(le)廣(guang)泛(fan)的(de)分(fen)析(xi)。根(gen)據(ju)不(bu)同(tong)的(de)應(ying)用(yong)，可(ke)以(yi)采(cai)用(yong)多(duo)種(zhong)方(fang)式(shi)對(dui)時(shi)鍾(zhong)抖(dou)動(dong)進(jin)行(xing)表(biao)征(zheng)，包(bao)括(kuo)周(zhou)期(qi)對(dui)周(zhou)期(qi)抖(dou)動(dong)、周期抖動和長期抖動（圖 1）。

圖 1：術語“抖動”包含許多定時變化
，包括周期到周期抖動、周期抖動和長期抖動。（圖片來源：VLSI Universe）

· 周期到周期抖動表示連續兩個連續周期內的時鍾周期的變化

，與頻率隨時間的變化無關。
· 周期抖動是指任何時鍾周期相對於其平均周期的偏差。它是理想時鍾周期與實際時鍾周期之差，可規定為均方根 (RMS) 周期抖動或峰峰周期抖動。
· 長期抖動是指時鍾邊沿在較長時間內與其理想位置偏離。這有點類似於漂移。

抖動會破壞用於恢複低 BER 數據的其他子功能、組件或係統所使用的定時，或者破壞用於步調組件的定時，如同步係統中的存儲器元件或處理器。從圖 2 的眼圖中可以看出
，比特定時的交叉點擴大了。

圖 2：在眼圖中
，抖動被視為數據流中的關鍵定時交叉點在擴大。（圖片來源：Kevin K. Gifford/Univ.of Colorado）

對dui於yu串chuan行xing數shu據ju鏈lian路lu，接jie收shou端duan的de電dian路lu必bi須xu嚐chang試shi重zhong新xin建jian立li自zi己ji的de時shi鍾zhong，以yi優you化hua數shu據ju流liu解jie碼ma。為wei此ci，該gai電dian路lu必bi須xu同tong步bu並bing鎖suo定ding源yuan時shi鍾zhong，通tong常chang使shi用yong鎖suo相xiang環huan (PLL)。抖動會影響係統精確實現這一目標的能力，從而削弱係統以較低 BER 恢複數據的能力。

請注意
，可在時域和頻域中測量抖動；兩者都是對同一現象的有效觀察。相位噪聲是振蕩器信號周圍噪聲頻譜的頻域視圖，而抖動則是振蕩器周期定時精確性的時域測量。

可用多種方式表示抖動測量。通常使用時間單位
，如“10 皮秒 (ps) 抖動”。均方根 (RMS) 相位抖動是一個時域參數，由相位噪聲（頻域）測量得出。抖動有時也被稱為相位抖動
，這可能會引起混淆，但它仍然是時域抖動參數。

隨著鏈路工作頻率及其時鍾從幾十 MHz 加速到幾百 MHz 或更高，時鍾源的允許抖動會降低到大約 100 fs 或更低。這些頻率適用於光模塊、雲計算、網絡和高速以太網

，所有這些都是要求載波頻率介於 100 MHz 和 212/215 MHz 之間並具有高達 400 Gbps 數據傳輸速率的功能、應用。

管理晶體

采用石英晶體振蕩器是創建穩定、一yi致zhi且qie具ju有you精jing確que頻pin率lv的de時shi鍾zhong信xin號hao的de最zui常chang見jian方fang法fa。相xiang關guan的de振zhen蕩dang電dian路lu為wei晶jing體ti提ti供gong支zhi持chi。有you許xu多duo此ci類lei電dian路lu係xi列lie，且qie每mei個ge係xi列lie都dou有you不bu同tong的de權quan衡heng方fang案an。自zi 20 世紀 30 年代以來，晶體一直被用於中頻（300 kHz 至 3 MHz）和高頻（3 MHz 至 30 MHz）射頻頻段的無線電通信。

一種廣泛用來生成低抖動時鍾的方法是某一種基於 PLL 架構變體
，這些變體有許多種。例如，Abracon 的 AX5 和 AX7 ClearClock™ 係列器件分別采用 5 × 3.2 mm 和 5 × 7 mm 封裝、先進的 PLL 技術，且具有卓越的低抖動性能（圖 3）。

圖 3：Abracon AX5 和 AX7 時鍾振蕩器采用了眾多基於 PLL 的設計中的某一種，但經過了微妙的改進，以最大限度地減少抖動。（圖片來源：Abracon）

除工作頻率和振蕩器設計外
，抖動性能還受到振蕩器核心石英晶體物理尺寸的影響。隨著晶體尺寸的減小，獲得出色的 RMS 抖動性能就變得更具挑戰性。

對於頻段為 100 MHz 至 200 MHz 頻段且外形小於基於 PLL 的 AX5 和 AX7 器件的時鍾解決方案
，則需要一種新型振蕩器架構。這類對較小尺寸的要求通常與最新一代的光收發器和模塊有關。設計 100 MHz 至 200 MHz 範圍內的時鍾振蕩器有四種既定方法：

1、使用石英振蕩器

，以倒置 MESA 石英坯片作為諧振元件
2、使用石英振蕩器，以第三次泛音石英坯片作為諧振元件
3
、使用基於 50 MHz 以下第三泛音/基諧模式石英坯片或 50 MHz 以下溫度補償晶體振蕩器，並與整數或分數模式 PLL 集成電路匹配而成的振蕩器回路
4、使用基於 50 MHz 以下的基於微機電係統 (MEMS) 諧振器並與整數或分數模式 PLL IC 匹配而成的振蕩器環路

方案 1 既不能提供最佳 RMS 有效值抖動性能
，也不是最具性價比的解決方案。方案 3 變得複雜且存在性能缺陷
，而方案 4 的 MEMS 諧振器方法則無法滿足最大 200 fs RMS 抖動的主要性能指標。相比之下，方案 2 使用最優設計型第三次泛音石英坯片
，並考慮了電極的幾何形狀和切割角度的優化。這種組合在成本、性能和尺寸方麵都達到了最佳效果。

利用這種方法
，Abracon 開發了“第三次泛音”ClearClock 解決方案（圖 4）。這款器件采用了一種更安靜的架構
，在小至 2.5 × 2.0 × 1.0 mm 的微型封裝中實現了卓越的超低 RMS 抖動性能和極高的能效。

圖 4：Abracon 的“第三次泛音”ClearClock 解決方案采用更安靜的架構
，以提高整體性能和能效。（圖片來源：Abracon）

在這一方案中，經過精心設計的第三次泛音晶體坯片以及對所需載波信號進行的適當濾波和“捕獲”，確保了在所需載波頻率下具有出色的 RMS 抖動性能。

該架構沒有使用典型的 PLL 方法，因此不存在上變頻。因此，無需進行標準 PLL xiaoshuhuozhengshuchengfa，qiezuizhongshuchupinlvyudisancifanyinshiyingjingtidexiezhenpinlvyiyiduiying。youyumeiyouxiaoshuhuozhengshuchengfa，yincijianhualeshejibingnengyijinkenengxiaodechicunshixianzuixiaodedoudong。

規格和實際性能

時(shi)鍾(zhong)振(zhen)蕩(dang)器(qi)不(bu)隻(zhi)是(shi)一(yi)個(ge)晶(jing)體(ti)及(ji)其(qi)模(mo)擬(ni)電(dian)路(lu)。時(shi)鍾(zhong)振(zhen)蕩(dang)器(qi)包(bao)括(kuo)緩(huan)衝(chong)功(gong)能(neng)，以(yi)確(que)保(bao)振(zhen)蕩(dang)器(qi)輸(shu)出(chu)負(fu)載(zai)及(ji)其(qi)短(duan)期(qi)和(he)長(chang)期(qi)變(bian)化(hua)均(jun)不(bu)會(hui)影(ying)響(xiang)設(she)備(bei)的(de)性(xing)能(neng)。時(shi)鍾(zhong)振(zhen)蕩(dang)器(qi)還(hai)支(zhi)持(chi)各(ge)種(zhong)差(cha)分(fen)數(shu)字(zi)邏(luo)輯(ji)輸(shu)出(chu)電(dian)平(ping)，以(yi)實(shi)現(xian)電(dian)路(lu)兼(jian)容(rong)性(xing)。這(zhe)種(zhong)兼(jian)容(rong)性(xing)無(wu)需(xu)外(wai)部(bu)邏(luo)輯(ji)電(dian)平(ping)轉(zhuan)換(huan) IC。這種 IC 會增加成本、占地麵積和抖動。

由於時鍾振蕩器在許多不同的應用中使用不同的電源軌電壓

，因此必須提供各種電源電壓，如 +1.8 V、+2.5 V 或 +3.3 V，以及通常在 2.25 V 至 3.63 V 之間的定製值。時鍾振蕩器還必須提供不同的輸出格式選擇
，如低壓正/偽發射極耦合邏輯 (LVPECL) 和低壓差分信號 (LVDS) 以及其他格式。

通過對 AK2A 和 AK3A 這兩個係列的晶體時鍾振蕩器的了解，我們可以看到通過對材料、設計、結構和測試的深入理解和整合所能達到的效果。這兩個係列很相似
，主要區別在於其尺寸和最大頻率。

AK2A 係列：該係列晶體振蕩器的標稱頻率為 100 MHz 至 200 MHz
，工作電壓為 2.5 V、3.3 V 和 2.25 V 至 3.63 V，具有 LVPECL、LVDS 和 HCSL 差分輸出邏輯。

該係列的所有器件都性能相似，包括具有低 RMS 抖動。例如
，AK2ADDF1-100.000T 是一款頻率為 100.00 MHz
、電壓為 3.3 V 的器件，提供 LVDS 輸出且 RMS 抖動為 160.2 fs（圖 5）。其頻率穩定性極佳，在不同溫度下的穩定性優於 ±15 ppm

，采用六引線表麵貼裝器件 (SMD) 封裝，尺寸為 2.5 × 2.0 × 1.0 mm。

圖 5：AK2ADDF1-100.000T 的抖動為 160 fs，這是一款 3.3 V、100 MHz 器件
，提供 LVDS 輸出。（圖片來源：Abracon）

然而
，隨著時鍾頻率的提高
，抖動必須減少，以保持係統級性能。對於 156.25 MHz LVDS 振蕩器 AK2ADDF1-156.2500T，其典型 RMS 抖動降至 83 fs。

AK3A 係列：AK3A 係列器件比 AK2A 係列器件略大，具體尺寸為 3.2 × 2.5 × 1.0 mm（圖 6）。可提供指定頻率為 212.5 MHz 的版本
，略高於 AK2A 係列的 200 MHz 限製。

圖 6：AK3A（右）晶體振蕩器比 AK2A 係列（左）稍長、稍寬
；包括頻率最高可達 212.5 MHz 的版本
，而 AK2A 為 200 MHz。（圖片來源：Abracon）

該 AK3A 器件的總體規格與相應的 AK2A 係列器件相似。例如，AK3ADDF1-156.2500T3 是一款 156.25 MHz LVDS 振蕩器
，其典型 RMS 抖動為 81 fs
，略好於 AK2A 係列的相應器件。

這兩個係列的抖動因工作頻率、工作電壓、封裝尺寸和輸出選擇而各不相同。

其他的現實考慮因素

shizhongzhendangqizhizaichuchangshifuheguigeyaoqiushiyuanyuanbugoude。yusuoyouyuanjianyiyang，youqishimonihewuyuanyuanjian
，zhexiezhendangqihuiyinzuchengcailiaodelaohuaheneibuyingliersuisuishijiandetuiyifashengpiaoyi。

這zhe些xie現xian實shi情qing況kuang對dui高gao性xing能neng時shi鍾zhong振zhen蕩dang器qi尤you其qi具ju有you挑tiao戰zhan性xing，因yin為wei沒mei有you一yi種zhong簡jian單dan或huo方fang便bian的de方fang法fa通tong過guo添tian加jia軟ruan件jian或huo巧qiao妙miao的de電dian路lu來lai糾jiu正zheng或huo補bu償chang這zhe種zhong漂piao移yi。不bu過guo，有you一yi些xie方fang法fa可ke以yi減jian輕qing漂piao移yi影ying響xiang。這zhe包bao括kuo最zui終zhong用yong戶hu為wei加jia速su振zhen蕩dang器qi老lao化hua而er進jin行xing的de長chang時shi間jian預yu燒shao，或huo在zai爐lu控kong外wai殼ke中zhong使shi用yong溫wen度du穩wen定ding的de振zhen蕩dang器qi。前qian者zhe耗hao時shi長chang，對dui供gong應ying鏈lian構gou成cheng挑tiao戰zhan
，後hou者zhe體ti積ji大da

、成本高、耗電量大。

由於認識到老化是一個關鍵參數，Abracon 的 ClearClock 係列產品在整個最終產品壽命（10 至 20 年）內都具有嚴格、全麵的頻率精度。Abracon 確保在此期間頻率穩定性優於 ±50 ppm。為此，我們精心選擇、製造了第三次泛音晶體，並進行了調節
，使其在 -20°C 至 +70°C 範圍內的穩定度達到 ±15 ppm，在 -40°C 至 +85°C 範圍內的穩定性達到 ±25 ppm。

工程設計總是需要權衡利弊。Abracon 的 AK2A 和 AK3A 係列采用了新一代（第二代）振蕩器 ASIC
，與前代產品相比（分別為第一代 AK2 和 AX3）
，其抖動噪聲性能有所提高
，從而確保了超低的 RMS 抖動性能。

這一改進的代價是功耗略有增加。最大電流消耗從第一代的 50 mA增加到第二代的 60 mA，但低壓器件的電流消耗僅為第一代的一半左右。因此
，第二代 ClearClock 振蕩器在保持低功耗的同時，還能提供超低的 RMS 抖動。

結束語

定時振蕩器是數據鏈路或時鍾功能的核心
，其精度、抖動和穩定性是實現所需的係統級性能（包括高 SNR 和低 BER）的關鍵參數。通過創新型材料選擇和架構
，可以實現更高的時鍾頻率，以滿足行業及其各種標準所要求的嚴格的性能規範。Abracon AK2A 和 AK3A 係列采用每邊僅幾 mm 的 SMD 封裝，在 100 MHz 至 200 MHz 範圍內的抖動低於 100 fs。

(作者：Bill Schweber)

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