【導(dǎo)讀】很多電子系統(tǒng)中都有很多時(shí)鐘信號(hào)，大多為一個(gè)到多個(gè)處理器以及外圍IC的時(shí)鐘信號(hào)。要知道并不是所有時(shí)鐘緩沖器都是完美的，使用多個(gè)獨(dú)立時(shí)鐘源雖然提高了設(shè)計(jì)成本，但是也增大了對(duì)電路板面積的要求，雖然采用緩沖器比較簡(jiǎn)單但是并非沒(méi)有挑戰(zhàn)。
幾乎所有的電子系統(tǒng)都需要針對(duì)一個(gè)或多個(gè)處理器以及許多相關(guān)外圍IC的多個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，以建立該系統(tǒng)的運(yùn)行節(jié)奏。這些時(shí)鐘信號(hào)通常由石英晶體產(chǎn)生，頻率范圍可以從幾MHz到幾百M(fèi)Hz。
雖然許多集成電路都需要這些時(shí)鐘信號(hào)，但在大多數(shù)設(shè)計(jì)中采用多個(gè)晶體作為主時(shí)鐘源并不現(xiàn)實(shí)，也不是所期望的方式。其原因是，使用多個(gè)獨(dú)立的時(shí)鐘源會(huì)帶來(lái)這些時(shí)鐘與靶標(biāo)同步的問(wèn)題，提高了系統(tǒng)成本，同時(shí)增大了對(duì)于電路板面積的要求。相反，設(shè)計(jì)者幾乎總是選擇使用一個(gè)單一的主時(shí)鐘振蕩器作為時(shí)鐘源，再將時(shí)鐘信號(hào)分配給整個(gè)系統(tǒng)中的各個(gè)組件。
但這種解決方案也不是沒(méi)有挑戰(zhàn)。首先，所有的時(shí)鐘都不是完美的，每個(gè)時(shí)鐘，即使是在一個(gè)精心設(shè)計(jì)的振蕩電路中的一個(gè)精準(zhǔn)晶體，也會(huì)圍繞其標(biāo)稱頻率產(chǎn)生一些相關(guān)的抖動(dòng)和微小的時(shí)序變化，如圖1a所示，這相當(dāng)于在頻域中的相位噪聲，見(jiàn)圖1b。
主時(shí)鐘的固有缺點(diǎn)只是問(wèn)題的開始。時(shí)鐘振蕩器通常不能支持所有必須的負(fù)載，也不能驅(qū)動(dòng)連接信號(hào)源與負(fù)載之間的電路布線或電纜。
[page]
為了克服這一驅(qū)動(dòng)能力的不足，需要一個(gè)專門的時(shí)鐘緩沖器IC用于在樹狀拓?fù)浼軜?gòu)下升壓和“扇出”主時(shí)鐘，如圖2所示。緩沖器功能簡(jiǎn)單，并只完成一項(xiàng)工作：它以時(shí)鐘源作為其輸入，并且提供能夠盡可能完美復(fù)制時(shí)鐘輸入的多個(gè)輸出。
盡管這種功能往往不是很引人注目，也不可能得到太多的關(guān)注和重視，但它在系統(tǒng)整體性能、信號(hào)完整性、以及系統(tǒng)和電路的一致性、可靠性方面起著重要作用。目前市場(chǎng)上有可以驅(qū)動(dòng)2個(gè)、4個(gè)、8個(gè)甚至更多負(fù)載的緩沖器IC，能夠緊密配合設(shè)計(jì)的需要，無(wú)需額外的成本費(fèi)用或電路板空間，如圖3所示。
采用一個(gè)緩沖器：簡(jiǎn)單，但不是沒(méi)有挑戰(zhàn)
理想的時(shí)鐘緩沖器能夠傳輸?shù)玫缴龎旱妮斎霑r(shí)鐘，但不能有任何附加的抖動(dòng)、延遲、失真、或其他不利因素。像所有其他組件一樣，這種理想的時(shí)鐘緩沖器并不存在，而一些器件卻可以很接近、非常接近理想情況。顯然，緩沖器會(huì)占據(jù)PCB空間、消耗功率、并增加成本，它們還會(huì)把自身的抖動(dòng)增加到時(shí)鐘的內(nèi)在抖動(dòng)上。但現(xiàn)實(shí)中沒(méi)有可行的替代方案，因此，我們的目標(biāo)必須是要獲得與應(yīng)用良好匹配的時(shí)鐘緩沖器。
這里重要的是要理解為什么緩沖器的低抖動(dòng)如此至關(guān)重要。從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、高端PC到儀器設(shè)備，當(dāng)今許多電子產(chǎn)品所允許的抖動(dòng)指標(biāo)非常小。很多這些產(chǎn)品的典型抖動(dòng)值約為100fs（飛秒，為10-15秒，或十億分之一秒的百萬(wàn)分之一），比幾年之前認(rèn)為是高性能的指標(biāo)高出一個(gè)量級(jí)。
一般情況下，緩沖器的抖動(dòng)遠(yuǎn)比時(shí)鐘的抖動(dòng)要小，所以主要抖動(dòng)源是時(shí)鐘，而不是其緩沖器。緩沖器輸出驅(qū)動(dòng)的所有負(fù)載的復(fù)合抖動(dòng)是時(shí)鐘和緩沖器抖動(dòng)值的均方根（rms）組合。例如，一個(gè)時(shí)鐘具有抖動(dòng)400fs（均方根值），其緩沖器抖動(dòng)為50fs（均方根值），結(jié)果只有5fs的有效附加均方根抖動(dòng)，所以緩沖器對(duì)于組合均方根抖動(dòng)的貢獻(xiàn)比時(shí)鐘小很多。（請(qǐng)注意，這里只是抖動(dòng)的一個(gè)頂級(jí)特性，抖動(dòng)是一個(gè)多方面的、非常復(fù)雜的問(wèn)題；見(jiàn)附文“抖動(dòng)表征和測(cè)試。”）
對(duì)于抖動(dòng)期望在收緊
既然緩沖器對(duì)于整體抖動(dòng)的貢獻(xiàn)如此之小，為何還要關(guān)心使用更好、具有更低抖動(dòng)的緩沖器呢？簡(jiǎn)言之，當(dāng)今電子產(chǎn)品的系統(tǒng)時(shí)鐘速度發(fā)展趨勢(shì)和要求在影響所需的參數(shù)。隨著系統(tǒng)性能和時(shí)鐘速度提高，時(shí)鐘必須比上一代產(chǎn)品有更低的抖動(dòng)。其結(jié)果是，具有更低抖動(dòng)的時(shí)鐘緩沖器對(duì)于保證負(fù)載端的性能要求非常重要。
通過(guò)對(duì)粗略數(shù)字的基本分析可以使這一點(diǎn)更加清晰。在時(shí)鐘和緩沖器的抖動(dòng)相等時(shí)（這種情況在時(shí)鐘抖動(dòng)不斷縮小時(shí)可能發(fā)生），得到的抖動(dòng)均方根值為√2（≈1.4）比單獨(dú)的時(shí)鐘要高，幾乎增加50％以上。其結(jié)果是，各個(gè)負(fù)載端的時(shí)鐘信號(hào)性能與時(shí)鐘的原始值相比顯著降低。因此，隨著時(shí)鐘性能變好，具有更低的抖動(dòng)時(shí)，關(guān)鍵是要降低緩沖器的抖動(dòng)，甚至更多，這樣緩沖器對(duì)于整體抖動(dòng)的貢獻(xiàn)可以最小化。
傳統(tǒng)上，電路設(shè)計(jì)者對(duì)于過(guò)度抖動(dòng)問(wèn)題的解決途徑需要在緩沖器性能參數(shù)之間進(jìn)行不令人滿意的折衷。他們可以選擇具有低抖動(dòng)的緩沖器，但要做到這一點(diǎn)，這些緩沖器要消耗更高的電流和/或電壓。簡(jiǎn)而言之，更低的抖動(dòng)需要更大的電流。不幸的是，這意味著緩沖器用戶陷入較高功耗、更多低能效組件的困境，從而降低了電池供電產(chǎn)品的運(yùn)行時(shí)間，增大了散熱量，這些都是不依賴于電源以及是否有足夠的散熱措施都必須要考慮的。
現(xiàn)在的好消息是，這種傳統(tǒng)的折衷已經(jīng)不再需要。IDT公司全新系列的時(shí)鐘緩沖器基于經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的IC工藝，同時(shí)采用了設(shè)計(jì)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面的創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了極低的抖動(dòng)但功耗并沒(méi)有增加，同時(shí)還具有更小的芯片尺寸，能夠采用一系列的電源軌供電運(yùn)行。例如，IDT5PB11xx系列LVCMOS扇出緩沖器在12kHz到200MHz范圍內(nèi)具有低于50fs的均方根附加相位抖動(dòng)，而內(nèi)核電流只有15mA。
[page]
通過(guò)仔細(xì)分析在此頻率范圍內(nèi)的均方根附加相位抖動(dòng)曲線可以更明顯地看到這些得到的好處。圖4a展示的是在5PB11xx緩沖器輸入端來(lái)自于200-MHz時(shí)鐘源的抖動(dòng)，而圖4b則示出了相同的參數(shù)，但是在緩沖器輸出端。即使在最高頻率（這是最具挑戰(zhàn)性的區(qū)域）時(shí)，附加抖動(dòng)僅為31.6fs。IDT公司產(chǎn)品系列的其他器件具有不同的輸出扇出和配置變化，但都具有類似的低附加抖動(dòng)。
除了獨(dú)特的低抖動(dòng)、低功耗特性外，IDT5PB11xx緩沖器也具有其它性能優(yōu)勢(shì)。它可以采用1.8V到3.3V之間的寬范圍電壓供電運(yùn)行，而性能不會(huì)降低。因此在一個(gè)具有多個(gè)電源軌的較大設(shè)計(jì)中，可以在不同的地方采用同樣的部件，甚至在多個(gè)產(chǎn)品中采用同一部件。這不僅簡(jiǎn)化了物料清單（BOM），同時(shí)也降低了因使用多個(gè)新部件而導(dǎo)致出現(xiàn)的附加性設(shè)計(jì)“意外”自然風(fēng)險(xiǎn)。
5PB11xx的信道與信道輸出偏移（skew）（輸出信道之間的相對(duì)時(shí)序差）僅為50ps，這對(duì)于保持多個(gè)外圍負(fù)載之間的同步至關(guān)重要。該緩沖器以一個(gè)微小的2×2mmDFN封裝供貨，這種小尺寸是許多先進(jìn)的便攜式應(yīng)用非常需要的。5PB11xx同時(shí)也可以及較大的3.9×4.9mmSOIC封裝供貨，可用于以往的設(shè)計(jì)進(jìn)行性能升級(jí)，或用于電路板空間不是很緊張的新項(xiàng)目設(shè)計(jì)。
當(dāng)然，雖然工作在200MHz、性能經(jīng)過(guò)大幅度改善的5PB11xx器件簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，但它并不能完全消除電路設(shè)計(jì)者的責(zé)任。在200MHz頻率下，仍然要應(yīng)用良好的設(shè)計(jì)規(guī)范，包括12至18英寸（30到45cm）長(zhǎng)的緩沖器與負(fù)載之間最大電路板布線長(zhǎng)度，采用PCB板上的平衡布線以降低噪聲和接地回路影響等等，同時(shí)也需要遵循其它的標(biāo)準(zhǔn)高頻設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。
一些設(shè)計(jì)師或許在下述兩種緩沖器之間難以抉擇：一種具有較低抖動(dòng)，但有較高并難以承受的功耗；另一種具有低功耗，抖動(dòng)指標(biāo)卻遜色不少。IDT公司的全新時(shí)鐘緩沖器產(chǎn)品系列不需要再有這種折衷。除了封裝和引腳與已有產(chǎn)品兼容外，它們也可以更小的封裝提供，這意味著設(shè)計(jì)師不僅可以在新設(shè)計(jì)中采用該緩沖器，同時(shí)可以在已有設(shè)計(jì)中利用這些器件的優(yōu)勢(shì)。
抖動(dòng)表征和測(cè)試
抖動(dòng)是一個(gè)簡(jiǎn)短的術(shù)語(yǔ)，但卻是一個(gè)擁有許多技術(shù)細(xì)節(jié)的復(fù)雜主題。不僅有許多類型的抖動(dòng)，同時(shí)也有不同的度量方法來(lái)評(píng)估抖動(dòng)，抖動(dòng)類型和值的大小依照具體的應(yīng)用而有不同的結(jié)果，欲了解更多信息，請(qǐng)參閱附表。兩個(gè)信息量很大的參考文獻(xiàn)是AN-815理解抖動(dòng)單位和AN-827時(shí)鐘抖動(dòng)的應(yīng)用關(guān)聯(lián)。
在評(píng)估抖動(dòng)時(shí)，重要的是設(shè)計(jì)師要針對(duì)多個(gè)抖動(dòng)指標(biāo)做“樹狀分析”，分析它們?nèi)绾螀R合在一起，確保抖動(dòng)結(jié)果在一定范圍內(nèi)，并且抖動(dòng)的系統(tǒng)級(jí)影響可以接受。同樣重要的是對(duì)于那些計(jì)劃實(shí)際測(cè)試并確認(rèn)其抖動(dòng)分析的工程師，必須要了解在當(dāng)今設(shè)計(jì)中非?？斓臅r(shí)鐘和非常低的低抖動(dòng)帶來(lái)的挑戰(zhàn)。在設(shè)計(jì)、安裝、測(cè)試設(shè)備、計(jì)算等確認(rèn)測(cè)量過(guò)程的每一個(gè)環(huán)節(jié)，都存在一些復(fù)雜而微妙的因素，有時(shí)侯很容易進(jìn)行一些不當(dāng)?shù)臏y(cè)試，可在不經(jīng)意間誤導(dǎo)并生成一些數(shù)字，導(dǎo)致對(duì)結(jié)果的過(guò)于樂(lè)觀或者過(guò)于悲觀。
作為一家時(shí)鐘發(fā)生器和緩沖器IC的領(lǐng)先廠商，IDT公司擁有針對(duì)這些測(cè)試的豐富經(jīng)驗(yàn)，所有器件正在使用是德科技（KeysightTechnologies，以前的安捷倫）的E5502相位噪聲測(cè)量解決方案等儀器進(jìn)行測(cè)試，見(jiàn)圖SB-1。該儀器經(jīng)專門設(shè)計(jì)，可用于在設(shè)計(jì)評(píng)估和生產(chǎn)階段測(cè)量非常低的相位噪聲。它采用一個(gè)具有參照源技術(shù)的相位檢測(cè)器來(lái)測(cè)量時(shí)鐘或緩沖輸出的單邊帶（SSB）相位噪聲特性。該測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)不僅始于高精度信源，同時(shí)也采用一個(gè)獨(dú)特結(jié)構(gòu)，可以抵消掉許多內(nèi)部錯(cuò)誤，這些錯(cuò)誤因而就不會(huì)影響到被測(cè)器件上的最終數(shù)據(jù)。
沒(méi)有任何一個(gè)單一的數(shù)字可以簡(jiǎn)單地匯總所有應(yīng)用中的抖動(dòng)。哪些指標(biāo)對(duì)于給定的設(shè)計(jì)是最相關(guān)的，并且這些是如何由時(shí)鐘組件供應(yīng)商測(cè)量得出，了解這些對(duì)于在特定情況下作出最佳選擇非常關(guān)鍵。這將使設(shè)計(jì)人員在考慮設(shè)計(jì)優(yōu)先性和制約性的情況下正確理解數(shù)據(jù)表的參數(shù)。
相關(guān)閱讀：
時(shí)鐘信號(hào)的差分電容，一般人我不告訴他！
過(guò)EMC時(shí)如何處理好時(shí)鐘信號(hào)？攻城獅的硬傷
深度解析功率測(cè)量中的時(shí)鐘同步源
