一種寬帶亞皮秒級抖動時鐘發生器的設計

摘 要：文章采用10MHz高穩晶振、集成VCO的低相位噪聲鎖相環芯片HMC832及高速時鐘發生芯片HMC1035，實現具有亞皮秒級抖動性能的25MHz～2.5GHz寬帶時鐘發生器設計。文中給出了該時鐘發生器的原理框圖，并詳細論述了降低時鐘抖動的方法。該時鐘電路已應用于某總線綜合測試儀的OTN模塊中，實際測試及工程應用均表明，整體指標達到設計要求。

關鍵詞：高速時鐘；亞皮秒；低抖動

高速寬帶時鐘信號發生器在光纖通信、集成電路自動測試、雷達測試及寬帶數字示波器標校等領域有著重要的應用價值。在國內，由于高端時鐘信號發生器市場基本被少數國外公司壟斷，因此開發一種成本低廉、簡單可靠的高速寬帶時鐘信號發生器很有現實意義。

本文設計并實現了一種輸出頻率覆蓋25MHz～2.5GHz，且具有亞皮秒級抖動性能時鐘信號發生器。該時鐘信號發生器由程控參考源和高速時鐘發生模塊兩部分組成。程控參考源提供一個高純的可變參考源，時鐘發生模塊利用可變參考源合成所需的寬帶時鐘。

1 核心元件的主要性能和工作原理

HMC832是Hittite公司推出的內部集成了完整VCO的小數分頻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基礎上設計的時鐘發生芯片，其輸出頻率范圍為25MHz～2.5GHz。

HMC832的內部功能結構主要包括以下幾個部分：參考信號從XREFP輸入到參考支路R分頻器、PFD鑒頻鑒相器、CP電荷泵，再通過外部環路濾波器，從VTUNE引腳輸入到VCO，通過N分頻器反饋到PFD鑒頻鑒相器形成鎖相環路。其中N分頻器上的Δ-Σ調制器可以提供小數分頻的功能。VCO通過CAL模塊獲得校準的能力，最后VCO通過可編程的末級分頻器將需要的頻率輸出到RF引腳。

HMC1035的基本功能結構與HMC832大致相同，但它的末級加入了集成的高速比較器，使其輸出信號轉化為方波并保持占空比在 50%左右，而不同于HMC832的正弦波。其最大優點是免除了片外的正弦波到方波的變換電路，降低了電路復雜度和占用PCB的面積。[2]

2 硬件和軟件設計

2.1 時鐘抖動的分析

時鐘抖動與相位噪聲是對同一現象的不同描述。前者是在時域上衡量時鐘信號的頻率穩定度；而后者是從頻域上衡量。因此，降低時鐘抖動實際上就是降低時鐘信號的相位噪聲。所以我們可以通過時鐘信號的頻譜來分析降低時鐘抖動的方法。

和整數分頻鎖相環不同，當VCO的輸出頻率不是鑒頻鑒相器的整數倍的時候，小數分頻環會形成雜散噪聲。鎖相環對于參考雜散各次諧波的抑制不緊取決于與環路自身的特性，還受到雜散出現位置的影響。考慮到鎖相環環路的低通特性，當雜散位于輸出信號的近端，尤其是雜散落在環路帶寬內，環路對雜散的抑制度會大大降低，甚至是幾乎無法對這些雜散進行抑制，從而惡化時鐘抖動。

2.2 硬件電路設計

HMC832和HMC1035由于內部集成了VCO，故外圍電路簡單，都只需設計1個外部環路濾波器就可以工作。借助于Hittite PLL Design工具可以很方便得設計并調整該濾波器參數，這里不再贅述。

2.3 軟件編程設計

由于HMC1035是在HMC832基礎上開發的芯片，所以兩者控制方式基本相同，在此僅以HMC832為例，對該芯片的設置可以通過SPI總線方式對各個寄存器進行數據寫入。

這里只給出最主要的寄存器操作的一般順序和說明：

3 測試結果

4 結束語

筆者通過可變參考源及Δ-Σ調制技術，結合相關芯片的運用，設計并實現了一個完整的時鐘發生器。經過測試，該時鐘發生器輸出的頻率25MHz～2.5GHz，時鐘抖動小于1ps，實現的時鐘發生器具有輸出信號穩定，而且該信號發生器具有價格低廉，結構緊密，使用方便的特點。該時鐘電路已應用于某總線綜合測試儀的OTN模塊中，實際測試及工程應用均表明，整體指標達到設計要求。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高速時鐘設計的場合中。

參考文獻

[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調制技術的小數分頻鎖相環的應用[J].無線電工程，2010.

[4]程龍，羅磊，任俊彥.寬帶ADC低抖動時鐘驅動電路的分析與設計[J]. 復旦學報（自然科學版），2009.

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