能有效降低高速网络误码率的超低抖动时钟合成器

在每秒10千兆位系统迅速发展之前，亚皮秒均方根抖动一直是高速网络和无线通信应用程序之超低抖动时钟的黄金标准。然而，随着下一代数据传输率远远超出每秒10千兆位，最严格的行业要求中，对于抖动性能更为严格的要求并不罕见。如图1所示，下一代数据传输率正在经历迅速发展，至高达每秒100千兆位。对于这些领先的边缘应用程序，飞秒级时钟抖动是为了达到目标BER(误码率)水平的绝对要求。本文将主要讨论下一代超低抖动时钟解决方案和本行业最先进和高要求的网络、存储和计算架构的技术问题。

图 1. 高速通信和网络应用程序

为了应对日益紧缩的时钟抖动预算，麦瑞半导体(Micrel, Inc)已推出两个全新系列的ClockWorks超低抖动时钟合成器，能够满足这些精确计时要求。SM84xxxx标准时钟合成器系列，以及ClockWorks Flex可编程时钟系列的首台新型合成器SM802xxx。SM802xxx系列提供了综合硅定时解决方案，突破了关键性的100飞秒抖动障碍。如图2所示，最新的ClockWorks时钟合成器技术比目前市场上同类产品具有4倍以上的更佳抖动性能。这种领先的性能优势具有比目前的设计大得多的抖动裕度，其“不会过时的”内部结构可为向下一代设计无缝升级提供极好的抖动裕度。

图 2. 麦瑞半导体ClockWorks™ 对比与之竞争的时钟合成器技术。

除了固有的低时钟抖动之外，在系统资格认证阶段常常导致严重障碍、却经常被忽视的性能参数是电源抑制比 (Power Supply Ripple Rejection, PSRR)。时钟合成器或其它参考时钟生成器单是能够在实验台评估板上提供飞秒抖动水平还不够，当嵌入现实系统应用程序时，解决方案还必须维持这种高水平的性能。这就是说，精心设计的时钟合成器解决方案必须能够在嘈杂的生产电源条件下发挥作用，而非精确的线性实验室级别电源。在许多情况下，这涉及使用将电源并行分配给装满嘈杂数字装置机箱的高电流开关式电源，而此等装置不断在各种频率之间变换。超低抖动时钟合成器的 ClockWorks™  系列的设计，包括从最基本的至可提供非同寻常的电源抑制比。表 1 概述了 ClockWorks™ 部件的现实测试与主要竞争对手之插脚兼容设备的比较。

表1. 现实界 10 千兆位以太网测试案例结果。

在该测试案例中，使用现成 10 千兆位以太网 PHY 的 10 千兆位以太网线路卡，设计成使用 ClockWorks™ 部件和竞争对手的插脚兼容时钟合成器。作为基准，使用专门的时钟评估板和线性实验室电源在实验室对两种时钟合成器设备进行了测量。

结果显示，竞争对手的设备综合时钟抖动为 850fs (rms 12kHz – 20MHz)，而ClockWorks™ 部件的抖动不到四分之一，即综合抖动为 225fs。然而，现实测试是在时钟合成器置于线路卡，且插入完全填充的10 千兆位以太网交换机机箱时进行的。在这种现实世界使用条件下，竞争对手的部件产生 3031fs，将近基准抖动值的四倍，超过 10 千兆位以太网 PHY 最大输入时钟抖动要求 3 倍以上。由于其出色的电源电源抑制性能，在相同条件下，ClockWorks™ 部件仅产生 751fs，很容易满足 10 千兆位以太网 PHY 输入时钟抖动要求，且可节约合理的裕度。这让生产设备能够具有重要的抖动裕度，从而使系统资格认证更容易。此外，由于使用ClockWorks™  时钟生成技术执行时，时钟树无需广泛的补充电源调整组件，因此可节约总成本。

作为更好地表征 PSRR 的新举措的一部分，麦瑞半导体引进了一种新的测试程序，将 -8dBm 的宽带白噪声 (100Hz – 100MHz) 强加在电源上。通过产生噪声层的整体上升，这种测试方法可在现实系统中更准确地模拟电源噪声，同时创建一个可允许在高度非线性电路中混合各种频率组件的多频、丰富的噪声环境。表2 概述了ClockWorks™ 时钟合成器技术的测试与业界标准 SAW 振荡器设备的比较。

表2. ClockWorks™ PSRR 与 SAW 振荡器比较

在高度非线性电路中混合各种频率组件的多频、丰富的噪声环境。表2 概述了ClockWorks? 时钟合成器技术的测试与业界标准 SAW 振荡器设备的比较。

表 2 的结果显示，ClockWorks™  时钟合成器基线抖动的性能比 SAW 振荡器好 1.7倍以上。然而，更重要的是，在现实界系统应用程序中常见的典型条件，即有噪声的电源环境中，ClockWorks™  时钟合成器的性能比业界标准的 SAW 振荡器好 1.6倍。由于完整时钟树解决方案拥有更加简约高效的 BOM，因此系统资格认证将更加顺利，并节省系统总成本与电路板空间，这些增加的受益将有望提高系统抖动裕度。

麦瑞半导体的最新 ClockWorks™  SM84xxxx 和 SM802xxx 时钟合成器系列代表了硅定时技术的一大飞跃，将真正的飞秒级抖动性能推向市场，将每秒 10 千兆位推进为每秒 100 千兆位及更高。在现实系统使用中证明了其稳固性可为现今的系统和电路板设计人员提供丰富的抖动裕度，同时为下一代系统及未来系统提供了时钟树无缝升级途径。