簡介

時(shí)鐘抖動(dòng)性能主題似乎是時(shí)鐘，ADC和電源的當(dāng)前焦點(diǎn)供應(yīng)廠家。理由很清楚;時(shí)鐘抖動(dòng)會(huì)干擾包括高速ADC在內(nèi)的數(shù)字電路的性能。高速時(shí)鐘可以對它們所接收的功率的“清潔度”非常敏感，盡管量化關(guān)系需要一些努力。

許多電壓調(diào)節(jié)器制造商正在開發(fā)新的穩(wěn)壓器產(chǎn)品線（主要是LDO），這些產(chǎn)品可以提供更高的PSRR，專門用于為精密時(shí)鐘和敏感電路供電。最近有文章表明，當(dāng)用開關(guān)穩(wěn)壓器代替線性穩(wěn)壓器時(shí)，時(shí)鐘和隨后的高速ADC的性能是完全可以接受的。[i]

用于測量時(shí)鐘相位噪聲的測試裝置和抖動(dòng)如圖1所示：

圖1 - 測量時(shí)鐘相位噪聲和抖動(dòng)的設(shè)置。

時(shí)鐘的噪聲路徑

時(shí)鐘抖動(dòng)Tj，和電源噪聲，Nv，可由公式1定義。

這種關(guān)系清楚地表明需要根據(jù)頻率確定時(shí)鐘抖動(dòng)對電源噪聲的靈敏度。理解感興趣的頻率范圍也很重要，這通常會(huì)延伸到ADC工作的最高信號(hào)頻率。并非所有時(shí)鐘都相似，一些較新的，性能更高的時(shí)鐘具有內(nèi)置的高性能線性穩(wěn)壓器，鎖相環(huán)（PLL）和抖動(dòng)清除器，以降低時(shí)鐘性能對電源噪聲的靈敏度。

定義電源噪聲至少需要三個(gè)項(xiàng)，但也可能有幾個(gè)不太明顯的路徑。

公式2中的關(guān)系顯示了到時(shí)鐘的三條主要噪聲路徑。第一個(gè)是線性穩(wěn)壓器輸入端產(chǎn)生的噪聲，它通過穩(wěn)壓器的電源抑制比（“PSRR”）降低。這說明了為什么這么多制造商正致力于改善下一代LDO的高頻PSRR。第二條噪聲路徑是從穩(wěn)壓器的內(nèi)部噪聲到穩(wěn)壓器輸出。第三個(gè)且不常討論的路徑是由于線性調(diào)節(jié)器輸出端的電流變化與調(diào)節(jié)器輸出端的阻抗相互作用，調(diào)節(jié)器輸出端也是時(shí)鐘的輸入功率。如果其他動(dòng)態(tài)負(fù)載連接到同一個(gè)穩(wěn)壓器，這一點(diǎn)尤其重要。

與測量時(shí)鐘性能相關(guān)的一個(gè)更復(fù)雜的問題是確定和然后給出具有適當(dāng)噪聲電壓和電流的時(shí)鐘。這是最近發(fā)表的一些關(guān)于該主題的文章的主要缺點(diǎn)[i]。

本文將展示這些噪聲路徑的影響和敏感性，并提供一些精簡的一般指導(dǎo)原則。優(yōu)化時(shí)鐘性能的功率要求。

測量噪聲

示例在本文中我們使用的是低成本，現(xiàn)成的3.3V，125MHz CMOS SMD時(shí)鐘。該頻率足夠低，相當(dāng)普通并且相對便宜，同時(shí)提供足夠高的靈敏度以使其變得有趣。由于CMOS振蕩器設(shè)計(jì)為15pF負(fù)載，因此使用10X示波器探頭和Picotest J2180A寬帶前置放大器將高阻抗探頭轉(zhuǎn)換為我們用于測量時(shí)鐘噪聲的Agilent N9020A信號(hào)分析儀的50 Ohm輸入。由于它的普及，我們使用LM317線性穩(wěn)壓器，以及定制設(shè)計(jì)的電壓調(diào)節(jié)器，為測試時(shí)鐘提供電源。 Picotest電壓調(diào)節(jié)器測試標(biāo)準(zhǔn)或“VRTS”套件用作測試臺(tái)，因?yàn)樗峁┡c輸入和輸出的簡單連接，以及支持可互換的線性調(diào)節(jié)器以進(jìn)行比較測量。

圖2 - 開關(guān)墻適配器用于為線性穩(wěn)壓器提供電源，然后為時(shí)鐘提供電源。 LM317產(chǎn)生7.4pS抖動(dòng)（上圖），而定制穩(wěn)壓器產(chǎn)生2.9pS抖動(dòng)。

圖2中LM317的大2MHz信號(hào)應(yīng)該到期調(diào)節(jié)器的控制回路和墻上適配器的阻抗，包括其輸出線和連接器的阻抗。定制設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓器在2MHz時(shí)提供50dB PSRR，以及更高的帶寬，可抑制大部分輸入噪聲信號(hào)。

使用連接到VRTS板的臺(tái)式電源更換墻式適配器，使用通用的18“香蕉測試引線，顯著降低了時(shí)鐘的性能，如圖3所示。而測試引線和墻上適配器都大致測量1uH的電感，工作臺(tái)電源阻抗和測試引線導(dǎo)致更高的Q值（實(shí)際上，正如2MHz信號(hào)及其諧波的出現(xiàn)所示，振蕩）。在穩(wěn)壓器輸入端增加一個(gè)0.47uF陶瓷電容可大大降低2MHz時(shí)的輸入阻抗。產(chǎn)生的抖動(dòng)降低到2.8pS。

圖3 - 連接到LM317線性穩(wěn)壓器的臺(tái)式電源（使用香蕉測試引線）然后連接到時(shí)鐘。線性穩(wěn)壓器輸入端沒有電容（頂部），抖動(dòng)為132pS，穩(wěn)壓器輸入端為0.47uF陶瓷電容，抖動(dòng)降至2.8pS（底部）。

使用工作臺(tái)電源和輸入電容去耦替換墻上適配器大大減少了時(shí)鐘抖動(dòng)。為了證明時(shí)鐘對電源電路輸入和輸出阻抗的靈敏度，Picotest J2111A電流注入器用于提供窄電流脈沖，可以連接到線性穩(wěn)壓器的輸入或輸出，提供外部瞬態(tài)刺激。窄脈沖富含諧波。

在圖4中，J2111A電流脈沖連接到線性穩(wěn)壓器的輸入。墻上適配器的有限阻抗將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓頻譜，然后電壓通過PSRR通過線性穩(wěn)壓器并傳輸?shù)綍r(shí)鐘，產(chǎn)生抖動(dòng)。電容器的增加降低了阻抗，從而降低了時(shí)鐘的噪聲電壓。重要的是要確保電容器不與可能導(dǎo)致高Q諧振的電感器，磁珠或其他電路電抗共振，這會(huì)增加時(shí)鐘的噪聲水平。

圖4 - 壁式適配器為LM317供電，增加一個(gè)30mA 150kHz 5％占空比電流脈沖，在穩(wěn)壓器輸入端連接（底部），無（頂部）增加一個(gè)0.47uF穩(wěn)壓器輸入電容

在圖5中，來自J2111A電流注入器的電流脈沖連接到線性穩(wěn)壓器的輸出端，再次有限穩(wěn)壓器阻抗變壓器將此電流轉(zhuǎn)換為噪聲電壓然后傳遞給時(shí)鐘添加抖動(dòng)。從圖5中可以看出，高帶寬定制調(diào)節(jié)器具有低于1MHz的低阻抗，這可以通過更大的降低的雜散幅度來證明，而高帶寬調(diào)節(jié)器也會(huì)在1.5MHz附近顯示諧振，這會(huì)導(dǎo)致抖動(dòng)，并且兩個(gè)調(diào)節(jié)器都會(huì)產(chǎn)生共振接近5MHz，導(dǎo)致抖動(dòng)。

圖5 - J2111A電流注入器用于在穩(wěn)壓器輸出端提供30mA 150kHz 5％占空比電流脈沖LM317（頂部）和定制設(shè)計(jì)的線性穩(wěn)壓器（底部）。

為了確保有效性并確定測量限制，顯示的平均噪聲水平（ DANL）如圖6所示。本底噪聲約為-143 dBc，相應(yīng)的抖動(dòng)為441f S。

圖6顯示測量設(shè)置的平均噪音水平（DANL）。

我們通過簡單的測量表明，時(shí)鐘抖動(dòng)對時(shí)鐘電源端子上的噪聲電平很敏感。我們還證明了穩(wěn)壓器輸入和輸出端的有限非零阻抗電平可以極大地促成外部激勵(lì)導(dǎo)致的時(shí)鐘抖動(dòng)。雖然線性穩(wěn)壓器的PSRR是時(shí)鐘抖動(dòng)靈敏度的關(guān)鍵術(shù)語，但還需要考慮所有其他術(shù)語。

為時(shí)鐘或LNA供電的一些基本設(shè)計(jì)指南是：

最小化穩(wěn)壓器輸入和輸出時(shí)鐘的阻抗。這樣可以最大限度地降低對外部信號(hào)的敏感度。

最大化穩(wěn)壓器的PSRR，以便盡可能地衰減輸入信號(hào)。

確保阻抗中沒有相位不連續(xù)（高Q諧振） ）在調(diào)節(jié)器輸入或輸出處。這些阻抗應(yīng)始終在整個(gè)感興趣的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行測量。

使用RF磁珠將振蕩器與外部噪聲隔離時(shí)要小心。珠子可以是非常誘導(dǎo)的并且可以導(dǎo)致相位不連續(xù)，這可能適得其反。雖然磁珠會(huì)衰減來自穩(wěn)壓器的噪聲，但它也會(huì)增加阻抗，使得時(shí)鐘更容易受到負(fù)載電流引起的抖動(dòng)的影響。

最后，不要操作任何其他動(dòng)態(tài)設(shè)備。與時(shí)鐘相同的調(diào)節(jié)器。與時(shí)鐘調(diào)節(jié)器共用一個(gè)公共輸入的任何其他穩(wěn)壓器的穩(wěn)定性或相位不連續(xù)性可能導(dǎo)致串?dāng)_引入另一條時(shí)鐘抖動(dòng)路徑。