時(shí)鐘和時(shí)鐘振蕩器（也稱為時(shí)鐘發(fā)生器）幾乎是每個(gè)電路的一部分，大多數(shù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都不止一個(gè)。事實(shí)上，設(shè)計(jì)中有四個(gè)，六個(gè)或更多，支持內(nèi)部電路以及外部I/O和接口并不罕見。它們建立最終載波設(shè)置或重新建立并與接收信號(hào)載波同步。此外，許多系統(tǒng)都需要能夠更改或轉(zhuǎn)換時(shí)鐘，以滿足超過單一終端應(yīng)用情況的調(diào)整要求。

時(shí)鐘在為各種應(yīng)用提供服務(wù)時(shí)提供了廣泛的功能和特性，但是還有相當(dāng)多的命名和功能混淆與重疊的術(shù)語，如時(shí)鐘，振蕩器，發(fā)生器和合成器等。

固定頻率時(shí)鐘用于處理器，存儲(chǔ)器和其他外圍設(shè)備的調(diào)步。同一系列中的一系列類似產(chǎn)品可能需要不同的時(shí)鐘頻率，以支持各種速度選項(xiàng)或功能。這些固定頻率時(shí)鐘也可以用作有線和無線鏈路中的基本定時(shí)參考。一些時(shí)鐘元件包括晶體或其他定時(shí)源，用于產(chǎn)生輸出;其他需要用戶提供外部晶體。

一些固定頻率設(shè)備是可編程的，因此可以在多個(gè)BOM（物料清單）上使用相同的設(shè)備來簡化庫存，但即使是“可編程”設(shè)備也可能存在誤解。它們可以是供應(yīng)商的一次性可編程，OEM生產(chǎn)線上的一次性可編程，電路板上可編程的引腳帶，或軟件可編程甚至可以“動(dòng)態(tài)”重新編程。此外，還有可編程時(shí)鐘，可以重新編程有限次數(shù)，頻率甚至可以改變幾次，以適應(yīng)不同的生產(chǎn)和應(yīng)用需求。為了增加潛在的復(fù)雜性，一些時(shí)鐘振蕩器提供多個(gè)同時(shí)獨(dú)立的輸出，因此單個(gè)晶體和器件可以提供大多數(shù)系統(tǒng)所需的多個(gè)時(shí)鐘。

此外，還有合成器使用單晶或主時(shí)鐘在指定范圍內(nèi)產(chǎn)生任意頻率輸出。與基本時(shí)鐘振蕩器一樣，一些合成器一旦固定就固定，其他合成器可動(dòng)態(tài)設(shè)置，以根據(jù)需要提供指定頻譜中的任何頻率（通常是載波）。

在無線系統(tǒng)中，有兩組基本時(shí)鐘：用于設(shè)置通道基本時(shí)序的固定頻率，例如點(diǎn)對(duì)點(diǎn)專用鏈路，以及可根據(jù)需要移動(dòng)頻率的時(shí)鐘支持不同的頻道，例如Wi-Fi鏈路上的跳頻。

選擇注意事項(xiàng)

考慮到所有時(shí)鐘選項(xiàng)，確定哪種基本時(shí)鐘方法是合適的可能是一個(gè)挑戰(zhàn)。但是，通過專注于主要規(guī)范可以簡化該過程，因?yàn)椴⒎撬袝r(shí)鐘配置選項(xiàng)都具有可比較的規(guī)范。只有滿足這些頂級(jí)要求的設(shè)備才能在各種配置中考慮。與往常一樣，性能的權(quán)衡需要根據(jù)性能屬性的權(quán)重進(jìn)行評(píng)估。

最關(guān)鍵的形式是時(shí)鐘的最大標(biāo)稱頻率能力，對(duì)于大多數(shù)無線應(yīng)用來說，它將跨越幾百個(gè)MHz到GHz范圍。對(duì)于可編程器件，最大值和最小值都很關(guān)鍵;時(shí)鐘IC通常具有10：1或5：1最大/最小跨度。

另一個(gè)重要規(guī)格是給定設(shè)置下的初始頻率誤差（容差），以百分比，Hz或百萬分率表示。如果時(shí)鐘不是固定頻率設(shè)備，則該數(shù)量可以根據(jù)標(biāo)稱頻率而變化。

所有振蕩器都會(huì)漂移。如果器件包含內(nèi)部晶體，或者它使用模擬電路調(diào)節(jié)和縮放外部晶體，它將隨溫度發(fā)生一些漂移;如果它是一個(gè)全數(shù)字設(shè)備，漂移將會(huì)更少，盡管仍然會(huì)有一些閾值，邏輯門的時(shí)序會(huì)略有變化。高性能振蕩器的溫度系數(shù)通常以ppm/?C表示，其值范圍從大約十到幾百。當(dāng)然，最大可接受值取決于應(yīng)用。

對(duì)于頻率在使用期間動(dòng)態(tài)切換的振蕩器，而不是僅在初始上電時(shí)通過用戶啟動(dòng)的調(diào)諧或模式切換進(jìn)行更改，關(guān)鍵參數(shù)是確定新頻率的時(shí)間。根據(jù)振蕩器的架構(gòu)，對(duì)于合成器或基于PLL的設(shè)計(jì)，或者相對(duì)較長的時(shí)間，這幾乎是瞬時(shí)的。即使核心電路沒有不連續(xù)性（如某些架構(gòu)那樣），如果相關(guān)的輸出緩沖放大器或驅(qū)動(dòng)器必須在很大范圍內(nèi)擺動(dòng)，可能會(huì)出現(xiàn)建立時(shí)間問題。通常，小的頻率變化并不具有挑戰(zhàn)性，但是廣泛的變化可能會(huì)有更長的穩(wěn)定時(shí)間;實(shí)際上，振蕩器必須在整個(gè)范圍內(nèi)快速轉(zhuǎn)換的應(yīng)用很少。

在許多情況下，漂移也是一個(gè)考慮因素。具有內(nèi)部晶體的時(shí)鐘由于晶體老化而表現(xiàn)出短期和長期漂移，盡管這些術(shù)語可能與每個(gè)供應(yīng)商具有不同的定義。有些人將“短期”定義為一年，將“長期”定義為五年，十年甚至二十年。最后，將功耗和封裝尺寸因素問題納入決策，但與基本性能規(guī)范相比，這些通常是次要的。一般來說，低功耗器件的規(guī)格要低于消耗更多功率的器件，但這是一個(gè)工藝，設(shè)計(jì)和測試的進(jìn)步意味著權(quán)衡利弊的領(lǐng)域。

抖動(dòng)：最具挑戰(zhàn)性的問題有很多原因

在決定振蕩器選項(xiàng)時(shí)工程師必須評(píng)估的最關(guān)鍵參數(shù)中，抖動(dòng)是最難以表征和匹配的應(yīng)用。在時(shí)域中，抖動(dòng)表現(xiàn)為“完美”輸出的微小變化（圖1）;在頻域中，它表現(xiàn)為相位/頻率變化（噪聲）和單頻信號(hào)頻譜的擴(kuò)展（圖2）。兩種觀點(diǎn)都是同樣有效的方式來觀察相同的物理現(xiàn)象，哪種觀點(diǎn)取決于具體情況，適用的標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)性能要求。

圖1：在時(shí)域中，理論上“完美”的時(shí)鐘信號(hào)（頂部）顯示了微小的來回變化（底部）被定義為抖動(dòng)。 （由IDT提供）

圖2：在同等合法的頻域替代視圖中，完美的單頻尖峰（頂部）變?yōu)轭l率分量和相關(guān)能量的傳播（下圖）。 [由IDT提供]

抖動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的主題，并且由于幾個(gè)原因通常難以量化。它通常相對(duì)較小，但仍然是系統(tǒng)性能的重要因素;它有許多貢獻(xiàn)源，包括內(nèi)部電路噪聲，外部源噪聲，元件熱噪聲，元件缺陷和熱致機(jī)械變化。作為概率特征，沒有單一的正確或簡單的方法來定義它;在使用的許多定義中，有許多定義是峰值，均方根，平均值，短期變化和長期平均值等等。抖動(dòng)也可能在輸出上顯示為非諧波相關(guān)的頻率雜散，與基頻相距一定距離（圖3a和3b）。

圖3a和3b：與抖動(dòng)相關(guān)的雜散是不需要的頻率分量，與基波無諧波相關(guān);上部跡線是對(duì)數(shù) - 對(duì)數(shù)相位噪聲圖，顯示1066 MHz時(shí)鐘頻域的無雜散抖動(dòng);較低的走線是相同的時(shí)鐘，但與基頻相比具有30 dB的30 MHz偏移。

抖動(dòng)的影響范圍可以是A/D采樣誤差和D/A轉(zhuǎn)換時(shí)間，“噪聲“在信號(hào)上，增加了BER（誤碼率），增加了符號(hào)間干擾，以及許多其他表現(xiàn)形式。通常，時(shí)鐘抖動(dòng)的可見影響在系統(tǒng)的其他地方，例如對(duì)不可避免的信道噪聲的容忍度降低，這會(huì)在采樣窗口收縮并且ISI眼圖關(guān)閉時(shí)發(fā)生。抖動(dòng)與整體系統(tǒng)性能之間的聯(lián)系有時(shí)難以判斷，并且通常由于額外的抖動(dòng)而使電路的非時(shí)鐘部分增加到時(shí)鐘信號(hào)本身。振蕩器抖動(dòng)還可以建立相位本底噪聲，以dBc/Hz為單位，是一個(gè)品質(zhì)因數(shù)（FOM），對(duì)于高性能接收器通道或雷達(dá)系統(tǒng)等應(yīng)用非常重要。

匹配時(shí)鐘發(fā)生器時(shí)針對(duì)應(yīng)用的抖動(dòng)規(guī)范，最好查看業(yè)界為該應(yīng)用設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)（如果有）（例如IEEE 802.11x），閱讀與應(yīng)用相關(guān)的應(yīng)用筆記，并仔細(xì)研究數(shù)據(jù)表及其應(yīng)用測試條件和腳注。

示例顯示了不同的產(chǎn)品

兩個(gè)時(shí)鐘振蕩器/發(fā)生器IC系列展示了這個(gè)基本功能如何演變成非常不同的組件。 Silicon Labs Si5xx產(chǎn)品組合非常適合從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，基站，存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)和廣播視頻系統(tǒng)到數(shù)據(jù)通信和電信的單板計(jì)算機(jī)等應(yīng)用。這些單，雙和四I 2 C可編程頻率器件的工作頻率范圍為100 KHz至1.4 GHz，具有低抖動(dòng)操作特性。例如，Si535提供0.19 ps RMS類型的相位抖動(dòng)，從而提高了設(shè)計(jì)余量和系統(tǒng)級(jí)性能。與傳統(tǒng)的XO不同，Si535使用一個(gè)固定晶體來提供寬范圍的輸出頻率，而每個(gè)輸出頻率都需要不同的晶體。這種基于IC的方法允許晶體諧振器提供出色的頻率穩(wěn)定性和可靠性。此外，DSPLL時(shí)鐘合成可提供卓越的電源噪聲抑制，簡化了在通信系統(tǒng)中常見的嘈雜環(huán)境中生成低抖動(dòng)時(shí)鐘的任務(wù)。

同樣，供應(yīng)商的Si534是一款四頻晶體振蕩器，可以在10至945 MHz的任何頻率和1400 MHz的選定頻率下提供單一輸出（圖4）。它針對(duì)通用無線和有線鏈路，由供應(yīng)商根據(jù)各種用戶規(guī)范進(jìn)行配置，包括頻率，電源電壓（3.3,2.5和1.8 V），輸出格式（CMOS，LVPECL，LVDS和CML），以及溫度穩(wěn)定性;請(qǐng)注意，包括抖動(dòng)在內(nèi)的規(guī)格會(huì)因這些設(shè)置而異。在這種情況下，用戶可以通過小型（5×7 mm）8引線器件封裝上的兩個(gè)控制引腳選擇四個(gè)可用頻率中的哪一個(gè)（工廠設(shè)置為用戶訂單）應(yīng)出現(xiàn)在該器件的輸出端，包括內(nèi)部晶體。

圖4：Silicon Labs XO包含一體化晶體;它由供應(yīng)商按照客戶選擇的四個(gè)輸出頻率進(jìn)行編程，然后可以通過兩條控制線隨時(shí)調(diào)用四個(gè)中的任何一個(gè)。

典型的初始精度在25°C時(shí)為±1.5 ppm，而第一年漂移為±3 ppm，超過20年的漂移據(jù)說最大為±10 ppm。該供應(yīng)商提供了許多抖動(dòng)規(guī)范，其中包括500 MHz以上輸出頻率的相位抖動(dòng)（rms），0.25 psec（典型值）和0.40 psec（最大值），以及622.08 MHz的典型輸出相位噪聲-146 dBc/Hz（用LVPECL輸出）。在四個(gè)可能的時(shí)鐘輸出之間切換時(shí)的建立時(shí)間最長為20毫秒。

同樣值得注意的是Peregrine Semiconductor PE33241針對(duì)無線本地環(huán)路（WLL）;射頻產(chǎn)生; L，S和C波段合成器;和通信系統(tǒng)，移動(dòng)終端，遙測，雷達(dá)和便攜式無線電中的時(shí)鐘恢復(fù)（圖5）。這種用于低相位噪聲應(yīng)用的整數(shù)N鎖相環(huán)（PLL）頻率合成器可以使用10/11預(yù)分頻模數(shù)達(dá)到5 GHz，使用5/6預(yù)分頻模數(shù)可達(dá)到4 GHz（后一模數(shù)選擇可提供更好的規(guī)格） ）。建立輸出頻率的計(jì)數(shù)器值可由用戶通過其串行接口或直接硬連線配置進(jìn)行編程。這款48引腳7×7 mm QFN器件的相位噪聲基底FOM為-230 dBc/Hz。

圖5：Peregrine的PE33241半導(dǎo)體根據(jù)所選的模數(shù)對(duì)提供4或5 GHz的用戶可選輸出;極低相位噪聲基底FOM為-230 dBc/Hz，非常適合雷達(dá)，遙測和高級(jí)移動(dòng)無線電系統(tǒng)。

該IC的頻率范圍和高性能意味著在給定的應(yīng)用程序中評(píng)估和正確編程它可能很困難。因此，供應(yīng)商提供帶有USB接口的評(píng)估板（指定為EK33241-13），以便在使用外部穩(wěn)定的低噪聲參考源時(shí)展示出最佳的相位噪聲性能（圖6）。在這些GHz頻率下，無處不在的FR-4 PC板材料不適合，因此評(píng)估板由四層堆疊組成，兩層外層為Rogers 4350B（εr= 3.48），兩層內(nèi)層為FR406（ε） r = 4.80）材料。 12密耳（0.30 mm）厚的內(nèi)層為RF傳輸線提供接地層，總板厚為62密耳（1.57 mm）。

圖6：在GHz頻譜中提供低噪聲，高性能規(guī)格的器件很難評(píng)估并集成到整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，因此Peregrine提供了一個(gè)USB兼容的評(píng)估板來完成任務(wù)。