如何为您的时钟应用选择正确的基于PLL的振荡器

十几年前，频率控制行业推出锁相环（PLL）为基础的振荡器，这是一个创新，开创了以前传统的晶体振荡器（XO）无法相比的几个特点。利用内部时钟合成器集成电路技术，基于PLL的XO可以被编程，以支持一个宽的频率范围。这一突破性的技术消除了切割和机石英使它在某一频率产生共鸣所需的材料加工的步骤。这种创新也使基于PLL的XO进行频率设定成为了可能，并且给客户以非常短的交货时间。

鉴于传统的振荡器周期接近14周或更长的时间，许多硬件工程师转而利用可编程振荡器由于其显著交货时间效益。不幸的是，出现了重大的问题。一些设计从使用传统的XO移植到基于PLL的XO时，出现了抖动相关的问题，这导致相关应用的故障，无法使用的SOC和处理器之间的通信链路出现过多的误码率。这些问题迫使许多IC供应商指定基于PLL振荡器不能与他们的器件结合使用。这一变故就使得硬件工程师使用基于PLL振荡器具有挑战性，虽然其具有频率灵活和供货周期短的好处。

为什么会发生这种事呢？事实证明，不同的供应商之间PLL技术的差别很大。一个次优的PLL设计会导致振荡器过度的相位噪声和抖动峰值如下图1左边所示。这个特殊的基于PLL的XO的相位抖动从12KHZ到20MHZ的频段测量出来是150ps RMS。这种性能水平是它不适于应用在高速PHYs，其典型要求<1ps RMS抖动性能。振荡器(XO)的周期抖动在图1右边表示。这双峰周期抖动可能是一个锁相环的稳定性问题，这个问题在SOC使用这个振荡器(XO)时的性能有不利影响。可编程振荡器的第二个值得关注的问题表现在抖动峰值是级联PLLs，当这样的基于PLL振荡器被连接到一个IC，而电路中还有PLL，则抖动可能会累加。

图1 次优的基于PLL振荡器的相位噪声和周期抖动

好消息是，并非所有的PLL，当然也不是所有的基于PLL的振荡器，都是如上面那样。

利用适当的PLL技术，可编程振荡器能够提供与一流的石英振荡器相媲美的性能，同时解决级联锁相环的问题。这些基于PLL的高性能振荡器可用于处理器/SOC时钟以及高速串行器、PHYs和FGPAs时钟。

开发者可以使用三个简单的标准来评估，一个基于PLL的XO是否可以在给定应用中使用。

抖动生成

在级联PLL的应用，如FPGA和PHY时钟，在XO参考时钟抖动和FPGA/ PHY的内部PLL抖动是复合的。具有低抖动的XO参考开始（例如<<1皮秒的RMS相位抖动）小于由FPGA/ PHY内部PLL生成最大化容许的抖动量，从而最大限度地保证整体设计。

抖动峰值

级联PLLs运行过度的抖动会的风险是因为抖动峰值，当第一阶段和第二阶段的PLL的环路带宽是相同的时候。这种风险是很容易通过使用内部具有相对低的PLL带宽的基于PLL振荡器来减轻。PLL具有良好阻尼，以确保不超过1％的峰值（<0.1分贝）。第二阶段的PLL常见的SoC带宽/ FPGA的典型值>1兆赫。使用一个基于PLL振荡器具有低抖动峰值和低得多的内部带宽确保其峰值将不与下游PLL带宽重叠。这种结构使第二级锁相环同时保持可接受的环路稳定性和相位裕量来容易地跟踪变化在第一级的PLL。

 

图2 基于PLL的抖动跟踪和筛选

相位噪声

你如何知道一个基于PLL的振荡器在你的应用中是否可以工作？振荡器周期抖动可以用示波器可以很容易观察到。振荡器的相位噪声可以用频谱分析仪来测量。如果你没有获得一个频谱分析仪，请联系您的频率控制供应商的相位噪声测量。相位的抖动，可直接从相位噪声图通过利用应用程序所需的相关抖动积分带宽来计算。相位噪声图也显示了参考时钟的杂散性能。相位抖动的杂散贡献可以很容易地测量，以确保满足要求的应用程序。相位噪声图也显示内部PLL任何调峰作用。过阻尼锁相环将表现出低峰值。

当选择一个振荡器，一个重要的考虑因素是电源噪声滤波器具有内部电源电压调节的振荡器可以提供噪声抑制，能够有更多的弹性操作来确保设备在受到系统级噪声干扰时不违反其规定的抖动范围。

Silicon Labs的Si5xx晶体振荡器利用专有的DSPLL技术可以生成从100 kHz到1.4GHZ的任何频率。基于DSPLL振荡器是设计成过阻尼具有低抖动峰值(<0.1dB )。基于PLL振荡器的内部PLL带宽为〜300千赫，这可以用于在基于PLL的高速串行器的应用，如OTN，DWDM，10GbE/40GbE/100GbE，SONET / SDH，3G SDI和6G SDI。图3显示了Silicon Labs的XO的典型相位噪声性能。

 

图3 Silicon Labs Si510相位噪声和周期抖动(fCARRIER = 156.25 MHz)

Silicon Labs拥有多个XO产品系列，其抖动性能从0.2ps RMS到0.8ps RMS不等。对于任何频率和任何设备的相位噪声或周期抖动测量的需求请联系世强。

 

表1 Silicon Labs Crystal Oscillator