時鐘和時鐘振蕩器(也稱為時鐘發(fā)生器)幾乎每電路的一部分，并且大多數(shù)系統(tǒng)具有多于一個在其設(shè)計中。事實上，這是不尋常的有四個，六個或更多的在設(shè)計，支持內(nèi)部電路以及外部I / O和接口。他們建立最終的載體設(shè)定(S)或重新建立和同步到所接收的信號載體。此外，許多系統(tǒng)需要改變或移位時鐘，以容納調(diào)諧要求多單端應(yīng)用情況的能力。

時鐘提供的功能性和服務(wù)中的各種應(yīng)用功能的大跨度，也遭受相當(dāng)大的命名法，并設(shè)有混亂重疊術(shù)語如時鐘，振蕩器，發(fā)電機，和合成器，等等。

固定頻率的時鐘被用于起搏處理器，存儲器，以及其他外圍設(shè)備。在同一個家庭的一系列同類產(chǎn)品中可能需要不同的時鐘頻率，支持多種速度選項或功能。這些固定頻率的時鐘也可以作為在有線和無線鏈路的基本定時基準。有些鐘“的組件包括一個水晶或者是他們用它來生產(chǎn)它們的輸出等定時源;另一些則要求用戶提供外部晶振。

一些固定頻率器件是可編程的，從而在同一臺設(shè)備可用于跨越一個以上的BOM(物料清單)，以簡化庫存，但即使是“可編程”的設(shè)備提供誤解的可能性。他們可能是一次性可編程在他們的供應(yīng)商，在OEM生產(chǎn)線一次性可編程，引腳帶可編程在電路板上，或軟件編程，甚至可重編程“飛”。另外，還有一些甚至可改變幾次，以適應(yīng)不同的生產(chǎn)和應(yīng)用的需求可編程時鐘可被重新編程的次數(shù)有限，具有頻率。要添加到潛在的復(fù)雜性，一些時鐘振蕩器提供多個，同時獨立輸出，因此單個晶體和器件可提供多種時鐘，大多數(shù)系統(tǒng)需要。

此外，存在其中使用單一晶體或主時鐘，以產(chǎn)生一個指定范圍內(nèi)的任意頻率輸出合成。與基本時鐘振蕩器，一些合成器設(shè)置一次固定的，其它的是動態(tài)可設(shè)置可根據(jù)需要提供的任何頻率(通常是載體)在指定的光譜。

在無線系統(tǒng)中，有兩個時鐘基本組：那些固定頻率用于在信道設(shè)置基本定時，如一個點對點的專用鏈路，并且時鐘其頻率根據(jù)需要，以支持不同的信道，例如，可移跳頻在一個Wi-Fi連接。

選擇注意事項

鑒于所有的時鐘選擇，它可以是一個挑戰(zhàn)決定哪些基本時鐘的方法是合適的。然而，這個過程可以通過集中于初級規(guī)格被簡化，因為不是所有的時鐘配置選項具有可比較的規(guī)格。只有符合這些頂級要求的設(shè)備可以以各種配置來考慮。一如往常，也有折中的性能要針對的性能屬性加權(quán)評估。

最關(guān)鍵的形態(tài)是時鐘，這對于大多數(shù)的無線應(yīng)用將跨越幾百MHz到GHz范圍的最大標稱頻率的能力。為可編程器件，這兩個最大和最小的值是至關(guān)重要的;時鐘IC通常具有10：1或5：1最大值/最小值跨度。

另一個重要規(guī)格是初始頻率誤差(公差)在給定的設(shè)置，以百分比表示，赫茲，或每百萬份。取決于標稱頻率如果時鐘不是一個固定頻率的設(shè)備本數(shù)量可以改變。

所有的振蕩器，都受到漂移。如果該器件包含一個內(nèi)部晶體，或者用模擬電路來調(diào)節(jié)和擴展外部晶體，它會經(jīng)歷與溫度漂移的一些;如果它是一個全數(shù)字化的設(shè)備，漂移會少一些，盡管仍然會有一定的閾值和邏輯門的時間會稍微偏移。溫度系數(shù)為高性能振蕩器通常用ppm / C，值的范圍從大約10到幾百。上可接受的最大值當(dāng)然取決于具體的應(yīng)用，。

對于振蕩器的頻率通過用戶啟動的調(diào)諧或模式切換使用期間動態(tài)地切換，而不是改變僅在初始加電時，一個關(guān)鍵的參數(shù)是建立時間到新的頻率。取決于振蕩器的結(jié)構(gòu)，這可以是一個合成器或基于PLL的設(shè)計，或一個較大幅度的周期幾乎是瞬時的。即使核心電路回轉(zhuǎn)時，沒有不連續(xù)性(如某些架構(gòu)做)，可能有一個穩(wěn)定時間的問題，如果在相關(guān)的輸出緩沖放大器或驅(qū)動程序必須擺動在大范圍內(nèi)。一般，小的頻率變化不具有挑戰(zhàn)性的，但很寬變化可以具有較長的穩(wěn)定時間;在現(xiàn)實中，很少有應(yīng)用中，振蕩器必須迅速轉(zhuǎn)變了其全系列。

漂移也是在許多情況下考慮。時鐘與內(nèi)部晶體表現(xiàn)出短期和長期漂移由于晶體老化，雖然這些術(shù)語可以有不同的定義與每個供應(yīng)商。一些定義“短期”的一年“長期”的五年，十年，甚至二十年。最后，功耗和封裝尺寸因子到?jīng)Q策，但這些問題通常是次要的相比，基本性能規(guī)格。在一般情況下，低功耗器件具有較低的規(guī)格比那些其消耗更多的功率，但是這是一個領(lǐng)域，在工藝，設(shè)計的進步和​​測試意味著權(quán)衡是在不斷變化。

抖動：原因是多方面的最具挑戰(zhàn)性的問題

其中工程師中的振蕩器選擇作出決定時，必須評估最關(guān)鍵的參數(shù)，抖動是最困難的表征和匹配的應(yīng)用程序。在時域，抖動表現(xiàn)為從“完美”的輸出(圖1)的微小變化;在頻域中，它顯示為相位/頻率變化(噪聲)和單頻信號的頻譜變寬(圖2)。這兩種觀點都是同樣有效的看同一個物理現(xiàn)象的方式，而這是更好的角度視情況而定，適用的標準和系統(tǒng)的性能要求。

抖動的圖像出現(xiàn)微小變化，從“完美”的輸出

圖1：在時域中，理論上“完美”的時鐘信號(頂部)示分鐘回的往復(fù)變化(底部)，它被定義為抖動。 (IDT提供)

單頻信號的頻譜的圖像

圖2：在頻域中的同樣合法另一種觀點，完美單頻尖峰(頂部)成為擴展的頻率分量和相關(guān)聯(lián)的能量(下)。 [IDT的禮貌]

抖動是一個復(fù)雜的問題，往往具有挑戰(zhàn)性量化為幾個原因。它通常是比較小的，但相對于該系統(tǒng)的性能仍是一個顯著因子;它有很多貢獻源包括內(nèi)部電路的噪聲，外部來源的噪聲，元件熱噪聲，分量不完善的地方，和熱致機械變化。作為一種概率性的特征，有來定義它沒有唯一正確的或簡單的方法;所使用的許多定義中的峰值，有效值，平均而言，短期變化和長期平均水平，等等。抖動也可以顯示為非諧波相關(guān)的雜散頻率的輸出，在從基頻一段距離(圖3a和3b)。

抖動相關(guān)馬刺圖片是不需要的頻率分量

圖3a和3b：抖動相關(guān)馬刺不需要的頻率分量不屬于諧波相關(guān)的根本;上部跡線是對數(shù) - 對數(shù)期噪聲圖表示為1066 MHz的時鐘頻域短枝自由抖動;下部跡線是相同的時鐘而是用30 dB的支線30兆赫從基本頻率偏移。[!--empirenews.page--]

抖動的效果的范圍可以從上一個信號在A / D采樣和D / A轉(zhuǎn)換時間，“噪音”的錯誤，增加的BER(誤碼率)，增加的符號間干擾，以及許多其他的表現(xiàn)形式。常時鐘抖動的可見的影響是，在系統(tǒng)的其它地方，如​​耐受性降低不可避免信道噪聲，這會發(fā)生作為采樣窗口縮小和ISI的眼圖閉合。抖動和整個系統(tǒng)的性能之間的聯(lián)系，有時很難判斷，并經(jīng)常通過額外抖動的電路的非時鐘份添加到所述時鐘信號本身復(fù)雜化。振蕩器抖動還設(shè)立了相位噪聲地板，以dBc / Hz的，功德(FOM)的數(shù)字測量這是很重要的應(yīng)用，如高性能的接收器通道或雷達系統(tǒng)。

當(dāng)匹配時鐘發(fā)生器抖動​​規(guī)范的應(yīng)用程序，這是最好看什么標準(如果有的話)，在業(yè)界樹立了該應(yīng)用程序(如IEEE 802.11x的)，讀了相關(guān)的應(yīng)用程序應(yīng)用筆記，并仔細研究隨著它的測試條件和腳注數(shù)據(jù)表。

實例表明多元化的產(chǎn)品

兩個時鐘振蕩器/發(fā)生器IC家庭展示如何這個基本功能已經(jīng)演變成完全不同的部件。該Silicon Labs公司組成的Si5xx組合非常適合應(yīng)用，從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，基站，存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)和廣播視頻系統(tǒng)，單板計算機進行數(shù)據(jù)通信和電信。可在100 kHz至1.4 GHz的頻率，這些單路，雙路和四路I2C可編程頻率部分具有低抖動操作。例如，Si535提供相位抖動的0.19 ps的RMS的類型，增加了設(shè)計裕度和系統(tǒng)級性能。不同于傳統(tǒng)的XO，其中需要為每個輸出頻率不同的晶體，所述Si535使用一個固定的晶體，以提供寬范圍的輸出頻率。該IC為基礎(chǔ)的方法使晶體諧振器提供卓越的頻率穩(wěn)定性和可靠性。此外，DSPLL時鐘合成提供優(yōu)越的電源噪聲抑制，簡化產(chǎn)生低抖動時鐘中通常存在于通信系統(tǒng)的噪聲環(huán)境的任務(wù)。

類似地，供應(yīng)商的Si534是四頻晶體振蕩器，可以提供在任何頻率的單個輸出10至945兆赫和在選擇的頻率，以1400兆赫(圖4)。它的目標是一般的無線和有線鏈路，并且由供應(yīng)商以各種用戶規(guī)范包括頻率，電源電壓配置(3.3，2.5和1.8伏)，輸出格式(CMOS，LVPECL，LVDS和CML)，和溫度穩(wěn)定性;注意，規(guī)格​​，包括抖動會根據(jù)這些設(shè)置有所不同。在這種情況下，用戶可以選擇四個可用的頻率(出廠設(shè)置為用戶命令)的應(yīng)通過兩個控制引腳出現(xiàn)在該裝置的輸出端上的小的(5×7毫米)包8引線裝置包括內(nèi)部晶體。

Silicon Labs的XO的圖像

圖4：此Silicon Labs的XO包括一個整體的晶體;它通過與由客戶，然后誰可通過兩個控制線調(diào)用隨時四個中的任何一個選擇的四個輸出頻率設(shè)定的廠商裝運。

典型初始精度為±1.5ppm的在25 C，而第一年的漂移為±3ppm的并且被認為是±10ppm的最大漂移超過20年。供應(yīng)商提供了許多抖動規(guī)范，其中有相位抖動(RMS)的輸出頻率500MHz以上的0.25皮秒(典型值)和0.40皮秒(最大值)，和典型的輸出相位噪聲在622.08兆赫-146 dBc的/赫茲(與LVPECL輸出)。當(dāng)在四個可能的時鐘輸出的切換建立時間為20毫秒最大。

另外值得一提的是Peregrine半導(dǎo)體PE33241它的目標無線本地環(huán)路(WLL); RF頻率生成; L，S和C波段合成器;和時鐘恢復(fù)在通信系統(tǒng)中，移動終端，遙測，雷達，和便攜式收音機(圖5)。此整數(shù)N鎖相環(huán)(PLL)頻率合成器的低相位噪聲的應(yīng)用程序可以使用10/11預(yù)分頻器模量和4 GHz的5/6分頻系數(shù)(后者模量的選擇提供稍好規(guī)格達到5千兆赫)。這確立輸出頻率的計數(shù)器值是可編程的用戶，可以通過它的串行接口或直接硬連線配置。相位噪聲地板FOM為-230 dBc的/赫茲這個48引腳7×7毫米QFN器件。

PE33241由Peregrine半導(dǎo)體圖片

圖5：從Peregrine半導(dǎo)體的PE33241提供根據(jù)所選擇的模量對用戶可選擇的輸出為4或5千兆赫;極低的相位噪聲樓FOM為-230 dBc的/赫茲，使得它與雷達，遙測，以及先進的移動無線電系統(tǒng)的一個不錯的選擇。

此IC的頻率范圍和高性能意味著評估和適當(dāng)它在給定的應(yīng)用編程可能很困難。出于這個原因，供應(yīng)商提供了一個評估電路板用的USB接口(指定EK33241-13)用外部的，穩(wěn)定的低噪聲基準源(圖6)時表現(xiàn)出最佳的相位噪聲性能。在這些GHz的頻率，無處不在的FR-4 PC板材料是不適合的，所以評估板包括四個層堆疊與羅杰斯4350B的兩個外層(εR = 3.48)和FR406的兩個內(nèi)層(ε R = 4.80)的材料。的12密耳(0.30毫米)厚的內(nèi)層提供接地平面用于RF傳輸線，對于62密耳(1.57毫米)共板厚度。

Peregrine半導(dǎo)體EK33241-13的圖像

圖6：該設(shè)備提供低噪音，高性能指標進入GHz頻譜是具有挑戰(zhàn)性的評估和整合到整個系統(tǒng)的設(shè)計，使百富勤提供了一個USB兼容的評估板，以方便工作。

摘要

時鐘振蕩器是一個系統(tǒng)的各個功能模塊的“心跳”，以及他們的能力和缺陷正在建立最大可實現(xiàn)性能的最佳因素之一。有些功能只需要一個固定頻率的時鐘，而另一些則要求其中之一是固定的，但選擇不同種類的選擇(與選擇的供應(yīng)商，代工，甚至在現(xiàn)場完成)，甚至完全可調(diào)。關(guān)鍵參數(shù)開始頻率精度和范圍，并延伸到漂移，建立時間和抖動。抖動有多方面的原因，可以合理地判斷，在許多方面衡量，因此是最困難的因素進行評估，了解，并涉及到整個系統(tǒng)的性能。