一種寬帶亞皮秒級(jí)抖動(dòng)時(shí)鐘發(fā)生器的設(shè)計(jì)

摘 要：文章采用10MHz高穩(wěn)晶振、集成VCO的低相位噪聲鎖相環(huán)芯片HMC832及高速時(shí)鐘發(fā)生芯片HMC1035，實(shí)現(xiàn)具有亞皮秒級(jí)抖動(dòng)性能的25MHz～2.5GHz寬帶時(shí)鐘發(fā)生器設(shè)計(jì)。文中給出了該時(shí)鐘發(fā)生器的原理框圖，并詳細(xì)論述了降低時(shí)鐘抖動(dòng)的方法。該時(shí)鐘電路已應(yīng)用于某總線綜合測(cè)試儀的OTN模塊中，實(shí)際測(cè)試及工程應(yīng)用均表明，整體指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：高速時(shí)鐘；亞皮秒；低抖動(dòng)

高速寬帶時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器在光纖通信、集成電路自動(dòng)測(cè)試、雷達(dá)測(cè)試及寬帶數(shù)字示波器標(biāo)校等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價(jià)值。在國(guó)內(nèi)，由于高端時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器市場(chǎng)基本被少數(shù)國(guó)外公司壟斷，因此開(kāi)發(fā)一種成本低廉、簡(jiǎn)單可靠的高速寬帶時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器很有現(xiàn)實(shí)意義。

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種輸出頻率覆蓋25MHz～2.5GHz，且具有亞皮秒級(jí)抖動(dòng)性能時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器。該時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器由程控參考源和高速時(shí)鐘發(fā)生模塊兩部分組成。程控參考源提供一個(gè)高純的可變參考源，時(shí)鐘發(fā)生模塊利用可變參考源合成所需的寬帶時(shí)鐘。

1 核心元件的主要性能和工作原理

HMC832是Hittite公司推出的內(nèi)部集成了完整VCO的小數(shù)分頻PLL電路和分頻電路的芯片，其輸出頻率范圍為25MHz～3GHz，而HMC1035則是一款在HMC832基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的時(shí)鐘發(fā)生芯片，其輸出頻率范圍為25MHz～2.5GHz。

HMC832的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)主要包括以下幾個(gè)部分：參考信號(hào)從XREFP輸入到參考支路R分頻器、PFD鑒頻鑒相器、CP電荷泵，再通過(guò)外部環(huán)路濾波器，從VTUNE引腳輸入到VCO，通過(guò)N分頻器反饋到PFD鑒頻鑒相器形成鎖相環(huán)路。其中N分頻器上的Δ-Σ調(diào)制器可以提供小數(shù)分頻的功能。VCO通過(guò)CAL模塊獲得校準(zhǔn)的能力，最后VCO通過(guò)可編程的末級(jí)分頻器將需要的頻率輸出到RF引腳。

HMC1035的基本功能結(jié)構(gòu)與HMC832大致相同，但它的末級(jí)加入了集成的高速比較器，使其輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化為方波并保持占空比在 50%左右，而不同于HMC832的正弦波。其最大優(yōu)點(diǎn)是免除了片外的正弦波到方波的變換電路，降低了電路復(fù)雜度和占用PCB的面積。[2]

2 硬件和軟件設(shè)計(jì)

2.1 時(shí)鐘抖動(dòng)的分析

時(shí)鐘抖動(dòng)與相位噪聲是對(duì)同一現(xiàn)象的不同描述。前者是在時(shí)域上衡量時(shí)鐘信號(hào)的頻率穩(wěn)定度；而后者是從頻域上衡量。因此，降低時(shí)鐘抖動(dòng)實(shí)際上就是降低時(shí)鐘信號(hào)的相位噪聲。所以我們可以通過(guò)時(shí)鐘信號(hào)的頻譜來(lái)分析降低時(shí)鐘抖動(dòng)的方法。

和整數(shù)分頻鎖相環(huán)不同，當(dāng)VCO的輸出頻率不是鑒頻鑒相器的整數(shù)倍的時(shí)候，小數(shù)分頻環(huán)會(huì)形成雜散噪聲。鎖相環(huán)對(duì)于參考雜散各次諧波的抑制不緊取決于與環(huán)路自身的特性，還受到雜散出現(xiàn)位置的影響。考慮到鎖相環(huán)環(huán)路的低通特性，當(dāng)雜散位于輸出信號(hào)的近端，尤其是雜散落在環(huán)路帶寬內(nèi)，環(huán)路對(duì)雜散的抑制度會(huì)大大降低，甚至是幾乎無(wú)法對(duì)這些雜散進(jìn)行抑制，從而惡化時(shí)鐘抖動(dòng)。

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

HMC832和HMC1035由于內(nèi)部集成了VCO，故外圍電路簡(jiǎn)單，都只需設(shè)計(jì)1個(gè)外部環(huán)路濾波器就可以工作。借助于Hittite PLL Design工具可以很方便得設(shè)計(jì)并調(diào)整該濾波器參數(shù)，這里不再贅述。

2.3 軟件編程設(shè)計(jì)

由于HMC1035是在HMC832基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的芯片，所以兩者控制方式基本相同，在此僅以HMC832為例，對(duì)該芯片的設(shè)置可以通過(guò)SPI總線方式對(duì)各個(gè)寄存器進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入。

這里只給出最主要的寄存器操作的一般順序和說(shuō)明：

3 測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者通過(guò)可變參考源及Δ-Σ調(diào)制技術(shù)，結(jié)合相關(guān)芯片的運(yùn)用，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完整的時(shí)鐘發(fā)生器。經(jīng)過(guò)測(cè)試，該時(shí)鐘發(fā)生器輸出的頻率25MHz～2.5GHz，時(shí)鐘抖動(dòng)小于1ps，實(shí)現(xiàn)的時(shí)鐘發(fā)生器具有輸出信號(hào)穩(wěn)定，而且該信號(hào)發(fā)生器具有價(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)緊密，使用方便的特點(diǎn)。該時(shí)鐘電路已應(yīng)用于某總線綜合測(cè)試儀的OTN模塊中，實(shí)際測(cè)試及工程應(yīng)用均表明，整體指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。該電路同樣適用于高速示波器、光纖通信等其它需要低抖動(dòng)高速時(shí)鐘設(shè)計(jì)的場(chǎng)合中。

參考文獻(xiàn)

[1]Hittite Microwave Corporation. HMC832LP6GE Datasheet. http：//www.hittite.com.

[2]Hittite Microwave Corporation. PLLs with Integrated VCO RF_applications Production Operating Guide. http：//www.hittite.com/.

[3]趙彥芬.基于Σ-Δ調(diào)制技術(shù)的小數(shù)分頻鎖相環(huán)的應(yīng)用[J].無(wú)線電工程，2010.

[4]程龍，羅磊，任俊彥.寬帶ADC低抖動(dòng)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路的分析與設(shè)計(jì)[J]. 復(fù)旦學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009.

[5]Hittite Microwave Corporation. PLL PLL with Integrated VCO Evaluation Kit User Manual [EB/OL]. http：//www.hittite.com/.