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1、评估低抖动 PLL 时钟发生器的电源噪声抑制性能本文介绍了电源噪声对基于PLL 的时钟发生器的干扰，并讨论了几种用于评估确定性抖动(DJ)的技术方案。推导出的关系式提供了利用频域杂散分量评估时钟抖动性能的方法。利用实验室测量结果对不同的测量技术进行比较，并阐述了如何可靠地评估参考时钟发生器的电源噪声抑制(PSNR)性能。基于 PLL 的时钟发生器被广泛用于网络设备，用来产生高精度、低抖动参考时钟或保持网络同步工作。大多数时钟振荡器给出了在理想的、没有噪声的电源供电时所表现的抖动或相位噪声指标。而实际系统环境中，开关电源或嘈杂的数字ASIC 会对电源产生干扰。为了达到系统设计的最佳性能，了解这类
2、干扰的影响至关重要。首先，我们需要先了解基于PLL 的时钟发生器的电源噪声抑制(PSNR)特性。随后将解释如何从频域测量中提取时钟抖动信息。这些技术将随后用于实验室测量，并通过实验室测试结果比较几种不同的测量方法。最后，我们将归纳出首选方案的优点。PLL 时钟发生器的 PSNR 特性典型的 PLL 时钟发生器如图1 所示。由于不同类型的逻辑接口其输出驱动器的PSNR 性能会有很大差异，下面的分析将主要集中在电源噪声对PLL 本身的影响。图 1. PLL 时钟发生器的典型拓扑图 2 给出了 PLL 的相位模型。模型假设电源噪声VN 注入到 PLL/VCO ，M 和 N 分数比都设为1。图 2.
3、PLL 的相位模型VN(s) 至 O(s)的 PLL 闭环传输函数为：对于典型的2 阶 PLL ：其中， 3dB为 PLL 的 3dB 带宽， Z 为 PLL 的零点频率，而Z 3dB。式 3 显示， 当电源干扰 (PSI)频率大于PLL 的 3dB 带宽时， PLL 时钟发生器的电源噪声以20dB/ 十倍频程衰减。对于介于 Z 和 3dB之间的 PSI 频率，输出时钟相位随PSI 的幅度变化关系式如下：例如，图3 给出了两种不同PLL 3dB 带宽下 PLL 的 PSNR 特性。图 3. 典型的 PLL PSNR 特性功率频谱杂散分量至DJ 的转换当单一频率的正弦信号fM 叠加到 PLL 电
4、源时，将在时钟输出产生一个窄带相位调制。通常可以用傅立叶级数表示相位调制：其中 为调制系数，表示最大相位偏差。对于较小系数的调制( 1)，贝塞尔函数可以近似表示为：其中 n = 0 表示载波本身，当n = 1 时，相位调制信号为：测量双边带功率频谱SV(f) 时，如果变量x 表示 fO 载波与 fM 基波边带频率的差，则：由于 为最大相位偏离，单位为弧度，则由于较小的相位调制系数引起的DJ 峰峰值可表示为：上述分析假设fM 频点不存在幅度调制。实际情况中，幅度和相位调制同时存在，因此降低了这种分析方法的准确度。相位噪声频谱杂散分量至DJ 的转换测量功率频谱SV(f) 时，有一种办法可以避免幅度
5、调制的影响。在电源上叠加一个单一频率的正弦干扰信号，可以通过测量相位噪声频谱的杂散信号替代DJ 的计算。以变量 y (dBc)表示频偏fM 处测量的单边带相位杂散功率，可以得到相位偏差(radRMS) 为：需要注意的是，上述分析中的单边带相位频谱并非双边带频谱的重叠。这是由于式10 中的 3dB 分量，图4 给出了 DJ 与式 12 给出的相位杂散功率的关系。图 4. DJ 与相位杂散功率的关系PSNR 测量技术这里给出了五种不同的测试时钟源PSNR 的方法，以MAX3624低抖动时钟发生器为例。测量装置如图5 所示，采用函数发生器向MAX3624 评估 (EV) 板的电源注入一个正弦信号。单
6、一频率干扰信号的幅度在靠近IC 的 VCC引脚处直接测量。限幅放大器MAX3272 用于消除幅度调制；随后的非平衡变压器将差分输出转换成单端信号，用于驱动不同的测试设备。为了比较不同测试方法的结果，所有测试均在以下条件下进行：1.时钟输出频率：fO = 125MHz 2.正弦调制频率：fM = 100kHz 3.正弦信号幅度：80mVP-P 图 5. PSNR 测量装置方法 1. 功率频谱测量观察功率频谱分析仪，可以看到窄带相位调制出现在载波附近的两个边带。图6 给出在这种情况下采用Agilent? E5052 频谱监视器观察到的结果。测量的第一个边带幅度与载波幅度之比为-53.1dBc，按照
7、式 9，转换为 11.2psP-P的 DJ。图 6. 测量的功率频谱方法 2. SSB相位杂散分量测量在相位噪声分析仪上，PSI 表现为相对于载波的相位杂散分量。所测量的相位噪声频谱如图7 所示， 100kHz 处的相位杂散功率为-53.9dBc，按照式12，转换为10.2psP-P 的 DJ。图 7. 测量的 SSB 相位噪声和杂散分量方法 3. 相位解调测量采用 Agilent E5052 信号分析仪， 可以直接测量100kHz 处的相位解调正弦信号，如图 8 所示， 与理想位置的相位偏差最大。相位偏差的峰峰值为0.47 ，在 125MHz 输出频率下转换为10.5psP-P 的抖动。图
8、8. MAX3624 相位解调信号方法 4. 实时示波器测量在时域测量中，由PSI 引起的 DJ 可通过测量时间间隔误差(TIE) 直方图获得。示波器实时测量中，当单一频率干扰信号叠加到PLL 时，时钟输出TIE 分布表现为正弦概率密度函数(PDF) 。DJ 可以采用双Dirac 模型 1 通过测量两个高斯分布与TIE 直方图的平均峰值距离估算。图9 给出采用Agilent Infiniium DSO81304A 40GSa/s 实时测量示波器得到的TIE 直方图，测得的峰值分量为9.4ps。图 9. 测量得到的TIE 直方图需要注意的是，实时测量示波器的存储器深度可能会限制叠加到PLL 电源
9、的正弦调制频率的下限。例如， 如果测试设备具有2Msps 的存储器深度，采样率设为40Gsps 时，它只能够采集最低20kHz 的抖动频率成分。方法 5. 采样示波器测量使用采样示波器时，分析测试条件下的时钟抖动时需要具备同步触发信号。TIE 测量可以采用两种触发方式。第一种方式将低抖动参考时钟叠加到PLL 时钟发生器的输入；采用相同的时钟源触发采样示波器。图 10a 给出了测量得到的TIE 直方图，峰值间距为9.2ps。利用参考时钟触发的优点在于所测量的TIE 直方图峰值分量与相对触发位置的水平时间延时无关。而测量的TIE 直方图会受触发时钟抖动的影响。因此，测试时采用比时钟发生器具有更低抖
10、动的时钟源作为触发将尤为重要。还可以选择另外一种方式，即自触发，消除触发时钟抖动的影响。这种情况下，测试条件下时钟发生器的输出通过功率分配器分成两路相同信号。其中一路信号连接到采样示波器的数据输入，另外一路信号连接至触发输入。由于触发信号具有与测试信号相同的DJ，当示波器主时基的水平位置扫描一个正弦调制频率周期时，直方图峰值间隔将发生变化。在调制信号一半周期的水平位置，TIE 直方图的峰值间隔将是测试信号DJ 的两倍。图10b给出了当水平时间延时设为5 s时，测量到的MAX3624 TIE 直方图。 TIE 峰值间隔的估算值为19ps，等效于9.5psP-P 的 DJ。图 10c 给出了从触发
11、点开始不同水平延时所测量的TIE 直方图峰值间隔。为了便于比较，还给出了参考时钟输入触发采样示波器时的TIE 测试结果。详细图片 (PDF, 69kB) 图 10. 不同触发条件下得到的TIE 直方图： REF_IN 触发 (a)；自触发， td = 5 s (b)；以及峰值间隔与相对触发时间延时的关系(c)。测量方法总结表 1 总结了 MAX3624输出 125MHz 时钟时的DJ 测量结果。利用上述不同的测量方法得到测试数据。需要注意的是，利用双Dirac 逼近法从TIE 直方图测量DJ，要比通过频域频谱分析获得的DJ 数值小。产生这一差异的原因是：正弦抖动(SJ) PDF 与随机抖动的高
12、斯分布的卷积过程不同1。因此，从双Dirac 模型提取的DJ 只是一个估算值；仅在随机抖动的标准方差远比抖动直方图两个峰值间隔的距离小得多时才有效。表 1. DJ 比较 * Measurement Methods DJ (psP-P) Power Spectrum 11.2 SSB Phase Spurious 10.3 Phase Decomposition 10.5 Real-Time Scope 9.4 Sampling Scope (Reference Triggered) 9.2 Sampling Scope (Self-Triggered) 9.5 *电源上叠加80mVP-P、100kHz 正弦信号。结论对于本例采用的相对较大的干扰，结果比较准确。当然，当干扰电平降到与随机抖动相当的幅度时，时域测试法的精度变差。此外，如果时钟信号被幅度调制破坏，则采用功率频谱分析仪测量到的结果将不可靠。因此，这里介绍的所有测量方法中，采用相位噪声分析仪进行相位杂散功率测量是描述时钟发生器PSNR 最为精确、便捷的方法。同样的方法可以扩展到其它杂散产物出现在相位噪声频谱时对DJ 的影响。
