【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。

mouxiedoudongshiyouxinhaolujingzaoshengheshizhenyinqide
，shiyongzhongfushizhonghezhongdingshijishukeyizaiyidingchengdushangjianshaodoudong。buguo，doudongyeshiyoushizhongyuanchanshengde，shizhongyuantongchangshizhendangqi。zheshiyouyugezhongwulixianxiangzaochengde，baokuorezaosheng
、工藝缺陷、電源噪聲
、進入時鍾振蕩器的其他外部噪聲、材cai料liao應ying力li以yi及ji許xu多duo其qi他ta微wei妙miao的de因yin素su。無wu論lun時shi鍾zhong抖dou動dong的de來lai源yuan如ru何he，設she計ji人ren員yuan都dou必bi須xu盡jin一yi切qie可ke能neng將jiang固gu有you時shi鍾zhong抖dou動dong降jiang至zhi最zui低di，因yin為wei這zhe種zhong缺que陷xian是shi不bu可ke逆ni轉zhuan的de。

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

時(shi)鍾(zhong)抖(dou)動(dong)是(shi)指(zhi)時(shi)鍾(zhong)邊(bian)沿(yan)與(yu)其(qi)理(li)想(xiang)時(shi)間(jian)位(wei)置(zhi)的(de)偏(pian)差(cha)。這(zhe)種(zhong)抖(dou)動(dong)會(hui)影(ying)響(xiang)時(shi)鍾(zhong)信(xin)號(hao)確(que)定(ding)步(bu)調(tiao)時(shi)的(de)數(shu)據(ju)信(xin)號(hao)傳(chuan)輸(shu)的(de)定(ding)時(shi)精(jing)度(du)和(he)準(zhun)確(que)性(xing)，從(cong)而(er)導(dao)致(zhi)在(zai)接(jie)收(shou)器(qi)解(jie)碼(ma)/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、lianjieqihuodianlubanjiangxinhaocongfasheyuanchuandidaojieshouqidexitongzhongduishizhongdoudongjinxingleguangfandefenxi。genjubutongdeyingyong，keyicaiyongduozhongfangshiduishizhongdoudongjinxingbiaozheng
，baokuozhouqiduizhouqidoudong
、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、yizhiqiejuyoujingquepinlvdeshizhongxinhaodezuichangjianfangfa。xiangguandezhendangdianluweijingtitigongzhichi。youxuduocileidianluxilie，qiemeigexiliedouyoubutongdequanhengfangan。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

時shi鍾zhong振zhen蕩dang器qi隻zhi在zai出chu廠chang時shi符fu合he規gui格ge要yao求qiu是shi遠yuan遠yuan不bu夠gou的de。與yu所suo有you元yuan件jian一yi樣yang，尤you其qi是shi模mo擬ni和he無wu源yuan元yuan件jian
，這zhe些xie振zhen蕩dang器qi會hui因yin組zu成cheng材cai料liao的de老lao化hua和he內nei部bu應ying力li而er隨sui隨sui時shi間jian的de推tui移yi發fa生sheng漂piao移yi。

zhexiexianshiqingkuangduigaoxingnengshizhongzhendangqiyouqijuyoutiaozhanxing，yinweimeiyouyizhongjiandanhuofangbiandefangfatongguotianjiaruanjianhuoqiaomiaodedianlulaijiuzhenghuobuchangzhezhongpiaoyi。buguo，youyixiefangfakeyijianqingpiaoyiyingxiang。zhebaokuozuizhongyonghuweijiasuzhendangqilaohuaerjinxingdechangshijianyushao，huozailukongwaikezhongshiyongwenduwendingdezhendangqi。qianzhehaoshichang


，duigongyingliangouchengtiaozhan，houzhetijida、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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