10.9 - MHz 至 1.175 - GHz 低相位噪声时钟评估板深度解析

在电子设计领域，时钟信号的稳定性和低相位噪声对于众多应用至关重要。今天我们就来深入探讨德州仪器（Texas Instruments）的 CDCE421A 评估板，它能生成 10.9 MHz 至 1.175 GHz 的低相位噪声时钟，为工程师们提供了一个便捷的测试和开发平台。

文件下载：CDCE421AEVM.pdf

一、评估板概述

CDCE421A 是一款高性能、低相位噪声的时钟发生器，具备两个完全集成的、基于 LC 的低噪声压控振荡器（VCO），工作范围在 1.75 GHz 至 2.35 GHz。它还有集成的晶体振荡器电路，可与外部 AT 切割晶体配合，为基于 PLL 的频率合成器提供稳定的频率参考。也可以使用 3.3 - V LVCMOS 电平输入替代晶体，为 PLL 提供频率参考。

这款评估模块（EVM）旨在展示 CDCE421A 的电气性能，是完全组装并经过工厂测试的。整个文档中，EVM、评估模块和评估板这几个术语与 CDCE421AEVM 同义。为实现最佳性能，该板配备了 50 - Ω SMA 连接器和控制良好的 50 - Ω 阻抗微带传输线。

二、信号路径与控制电路

CDCE421A 可接受来自 LVCMOS 源（最高 3.3 V）或相同频率范围晶体的 29 - MHz 至 44 - MHz 频率输入。CDCE421AEVM 分为四个块，每个块的编程部分和设备电源可通过各自的开关启用或禁用。比如要启用块 A 的电源和编程，开关需置于特定位置，其他块则通过相应开关禁用。

三、各块功能描述

3.1 块 A

包含一个 CDCE421A QFN 设备，通过垂直 SMA 输入连接器（Ref Input）接受 LVCMOS 参考输入，该输入在 EVM 板上已进行交流耦合。

3.2 块 B

包含一个使用 AT 晶体的 CDCE421A QFN 设备，可作为晶体振荡器（XO）或压控晶体振荡器（VCXO）使用。使用时，晶体应安装在板上的两个晶体焊盘之一，并且必须在提供的焊盘上安装垂直 SMA 输入连接器作为控制电压输入。

3.3 块 C

可容纳一个 5 × 7 晶体振荡器，该振荡器封装还必须包含具有指定负载和范围的固定频率晶体。

3.4 块 D

包含一个适合块 C 中使用的振荡器部件的插座。

CDCE421A 的输出频率始终是输入频率的整数倍或整数分频，通过选择 VCO1 或 VCO2 以及适当的预分频器和输出分频器来确定，具体数值可参考 CDCE421A 产品数据表。环路滤波器的选择会影响输出频率的相位噪声，应结合所使用的输入类型来考虑。在 LVDS 模式下，设备可达 400 MHz；在 LVPECL 模式下，可达 1.175 GHz。输出信号电平及 LVPECL 端接可通过软件界面选择。

四、软件可选选项

提供的图形用户界面（GUI）软件让用户能通过主机供电的 USB 接口轻松向 CDCE421A 发送命令。EVM 包含一个从 USB 控制器，将命令传输到 CDCE421A 上的单引脚编程接口。USB 控制器的直流电源可从 USB 电缆的 5 - V 电源引脚获取，也可使用 EVM 上插槽中的外部 5 - V 交流适配器。

除了在板上电时向 CDCE421A SRAM 写入命令外，命令还可存储在非易失性 USB 微控制器内存或 CDCE421A 内的 EEPROM 中。这使得用户无需在加电时进行额外编程，就能以所需状态启动 EVM。需注意，CDCE421A 有永久 EEPROM 锁定模式，选择该模式后，CDCE421A 内的 EEPROM 无法更改，这在设置最终配置时很有用。

五、GUI 软件与 USB 驱动安装

要开始软件安装，运行 TI.com 上 CDCE421A 产品文件夹中的 CDCE421A Control GUI v 1.0.msi 软件，会出现相应安装屏幕。安装完成并连接 USB 电缆后，需将 USB 驱动安装到与软件相同的文件夹。

设置向导完成后，从 Windows 开始菜单启动 GUI 界面（Start→Texas Instruments→Chronos Eval→TIChronosGUI.exe）。连接 USB 电缆到 EVM 时，若 Windows 提示需要合适的驱动，不要使用自动搜索选项，而应选择手动搜索，并在提示驱动位置时，浏览到安装时使用的 Chronos GUI 文件文件夹。USB 驱动安装完成后，GUI 软件应能正常加载并准备使用，USB 通信框中的绿灯表示 USB 连接良好，红灯表示连接故障。

六、Chronos GUI 软件使用

6.1 软件启用的自动 PLL 选择

TI Chronos GUI 软件显示 CDCE421A 的片上 PLL 结构，用户可更改输入频率、PFD 电荷泵、环路滤波器和输出设置，其他设置由软件根据用户可选选项选择。具体步骤如下：

1. IC 配置和输入计算：编程 PLL 前，需在 GUI 的 IC 块配置部分选择要编程的 EVM 块。对于正在使用的 EVM 块，第一行计算有助于研究获得所需输出频率时 CDCE421A 所需的输入频率，按下计算按钮即可找到输入。
2. 存储晶体频率：若 EVM 的块 B 使用晶体输入，需点击软件 GUI 顶部的 Device_EEPROM 字段，在弹出的下拉菜单中点击 Save Block B – XTAL Freq to EEPROM，以 xx.xxx MHz 的格式输入晶体频率。
3. 输出计算和应用 PLL 设置：第二行计算用于获取给定输入频率下 CDCE421A 获得特定输出频率所需的 PLL 设置。需在第二行以及 PLL 框图输入处输入输入频率，按下计算按钮后，相邻的下拉菜单会列出几个选项，可从中选择所需输出，选择输出后会设置 PLL 内的分频器设置，点击 Apply 按钮将 PLL 设置写入设备 SRAM。若需要 LVPECL 输出，在输出类型框中滚动直到显示 LVPECL，此选项会自动启用板载 LVPECL 端接；若需要 LVDS 输出，同样在输出类型框中滚动直到显示 LVDS。
4. PLL 带宽选择：若用户想调整 PLL 带宽，需点击环路滤波器块，会弹出一个配置对话框。对于干净的参考输入（如来自振荡器或晶体），应使用最大带宽和相位裕度设置，分别为 400 kHz 和 80 度，PDF 电荷泵电流应设置为最大值（224 µA），可通过点击 PDF 电荷泵块在下拉菜单中设置。对于不干净的参考输入，使用最小带宽设置（50 kHz），为减少输出抖动，可将相位裕度降至接近最小值（30 度），并将电荷泵电流降至接近最小值（56 µA）。
5. 写入 CDCE421A EEPROM：要将特定设置写入 EEPROM（锁定或非锁定模式），需点击 GUI 顶部的 Device_EEPROM 菜单项，在下拉菜单中选择 Write settings to EEPROM (No locking) 或 Write settings to EEPROM (Locking) 选项。

6.2 手动 PLL 块选择（高级控制）

对于熟悉 PLL 一般操作的用户，可点击高级控制按钮激活 PLL 块的单独控制，会弹出一个新窗口，其中包含各种菜单选项，如 VCO 选择、预分频器、输出分频器、驱动选择、PECL 配置、电荷泵电流、环路滤波器偏置选择、VCO 校准、TI 测试使用和 Chronos IC 配置等，具体功能可参考数据表确定合适的设置。

七、评估板配置

7.1 编程和测试配置（连接 USB 电缆）——默认配置

CDCE421AEVM 默认配置为连接 USB 电缆，并向 AUX VDD 和 GND 添加 3.3 - V 电源。在此配置中，USB 微控制器由 USB 端口 5 - V 电源供电，CDCE421A 由 3.3 - V 外部电源供电，这种设置在编程 CDCE421A 的同时进行测量是最佳的，可通过将 CDCE421A 与 USB 电源隔离来消除 USB 电源中的功率变化。

7.2 编程配置（连接 USB 电缆）

CDCE421AEVM 也可仅使用 USB 电缆提供的电源，但由于 USB 电源的变化，此配置不建议用于测量。该设置有助于将配置设置保存到 CDCE421A，然后从其内部存储器为设备供电。此时，需将 JP1 从默认位置移动到新位置，并在 GUI 软件上选中 Enable (onboard) Power 框，然后点击 Apply 软件按钮。

7.3 从保存的配置进行测试（编程后移除 USB 电缆）

在不使用 USB 编程电缆操作 CDCE421A 时，需先使用上述连接 USB 电缆的配置之一对 CDCE421AEVM 进行预编程，然后重新配置为使用外部电源。在进行板修改之前，需使用 Write Chronos Settings to EEPROM NO LOCKING 软件按钮将 CDCE421A 设置保存到设备内部 EEPROM，保存后可移除 USB 电缆，断开电缆后，跳线 JP1 应处于 Using External 3.3 - V Supply 位置，此时 EVM 可在不连接 USB 电缆的情况下使用，CDCE421A 将始终从其保存的配置状态启动。若需将 CDCE421A 与微控制器隔离，应将对应块的 CE_x、SDATA_x 和 LVPECL_TERM_x 开关设置为 Off（x 表示块名称），但该块的电源线开关应保持开启，这样在 CDCE421A 上电时移除 USB 电缆不会影响性能。

八、原理图和布局

文档中展示了 CDCE421AEVM 的印刷电路板（PCB）原理图，但需注意，板布局未按比例绘制，这些图仅用于展示板的布局，并非用于制造 CDCE421AEVM PCBs。

九、重要注意事项

该评估板仅用于工程开发、演示或评估目的，并非适合一般消费者使用的成品。使用时需注意输入电压范围为 –0.5 V 至 +4.0 V，输出电压范围为 0 至 +3.6 V，超出指定范围可能导致意外操作和/或对 EVM 造成不可逆损坏。正常运行时，一些电路组件的外壳温度可能高于 +120°C，只要保持输入和输出范围，EVM 设计可在某些组件高于 +85°C 的情况下正常运行。

通过以上对 CDCE421A 评估板的详细介绍，相信工程师们对其功能和使用方法有了更深入的了解。在实际设计中，合理运用该评估板，能帮助我们更好地实现低相位噪声时钟的设计和测试。大家在使用过程中遇到过哪些问题呢？欢迎交流分享。