能有效降低高速網(wǎng)絡(luò)誤碼率的超低抖動時鐘合成器

在每秒10千兆位系統(tǒng)迅速發(fā)展之前，亞皮秒均方根抖動一直是高速網(wǎng)絡(luò)和無線通信應(yīng)用程序之超低抖動時鐘的黃金標(biāo)準(zhǔn)。然而，隨著下一代數(shù)據(jù)傳輸率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出每秒10千兆位，最嚴(yán)格的行業(yè)要求中，對于抖動性能更為嚴(yán)格的要求并不罕見。如圖1所示，下一代數(shù)據(jù)傳輸率正在經(jīng)歷迅速發(fā)展，至高達(dá)每秒100千兆位。對于這些領(lǐng)先的邊緣應(yīng)用程序，飛秒級時鐘抖動是為了達(dá)到目標(biāo)BER(誤碼率)水平的絕對要求。本文將主要討論下一代超低抖動時鐘解決方案和本行業(yè)最先進(jìn)和高要求的網(wǎng)絡(luò)、存儲和計(jì)算架構(gòu)的技術(shù)問題。

圖 1. 高速通信和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序

為了應(yīng)對日益緊縮的時鐘抖動預(yù)算，麥瑞半導(dǎo)體(Micrel, Inc)已推出兩個全新系列的ClockWorks超低抖動時鐘合成器，能夠滿足這些精確計(jì)時要求。SM84xxxx標(biāo)準(zhǔn)時鐘合成器系列，以及ClockWorks Flex可編程時鐘系列的首臺新型合成器SM802xxx。SM802xxx系列提供了綜合硅定時解決方案，突破了關(guān)鍵性的100飛秒抖動障礙。如圖2所示，最新的ClockWorks時鐘合成器技術(shù)比目前市場上同類產(chǎn)品具有4倍以上的更佳抖動性能。這種領(lǐng)先的性能優(yōu)勢具有比目前的設(shè)計(jì)大得多的抖動裕度，其“不會過時的”內(nèi)部結(jié)構(gòu)可為向下一代設(shè)計(jì)無縫升級提供極好的抖動裕度。

圖 2. 麥瑞半導(dǎo)體ClockWorks? 對比與之競爭的時鐘合成器技術(shù)。

除了固有的低時鐘抖動之外，在系統(tǒng)資格認(rèn)證階段常常導(dǎo)致嚴(yán)重障礙、卻經(jīng)常被忽視的性能參數(shù)是電源抑制比 (Power Supply Ripple Rejection, PSRR)。時鐘合成器或其它參考時鐘生成器單是能夠在實(shí)驗(yàn)臺評估板上提供飛秒抖動水平還不夠，當(dāng)嵌入現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)用程序時，解決方案還必須維持這種高水平的性能。這就是說，精心設(shè)計(jì)的時鐘合成器解決方案必須能夠在嘈雜的生產(chǎn)電源條件下發(fā)揮作用，而非精確的線性實(shí)驗(yàn)室級別電源。在許多情況下，這涉及使用將電源并行分配給裝滿嘈雜數(shù)字裝置機(jī)箱的高電流開關(guān)式電源，而此等裝置不斷在各種頻率之間變換。超低抖動時鐘合成器的 ClockWorks? 系列的設(shè)計(jì)，包括從最基本的至可提供非同尋常的電源抑制比。表 1 概述了 ClockWorks? 部件的現(xiàn)實(shí)測試與主要競爭對手之插腳兼容設(shè)備的比較。

表1. 現(xiàn)實(shí)界 10 千兆位以太網(wǎng)測試案例結(jié)果。

在該測試案例中，使用現(xiàn)成 10 千兆位以太網(wǎng) PHY 的 10 千兆位以太網(wǎng)線路卡，設(shè)計(jì)成使用 ClockWorks? 部件和競爭對手的插腳兼容時鐘合成器。作為基準(zhǔn)，使用專門的時鐘評估板和線性實(shí)驗(yàn)室電源在實(shí)驗(yàn)室對兩種時鐘合成器設(shè)備進(jìn)行了測量。

結(jié)果顯示，競爭對手的設(shè)備綜合時鐘抖動為 850fs (rms 12kHz – 20MHz)，而ClockWorks? 部件的抖動不到四分之一，即綜合抖動為 225fs。然而，現(xiàn)實(shí)測試是在時鐘合成器置于線路卡，且插入完全填充的10 千兆位以太網(wǎng)交換機(jī)機(jī)箱時進(jìn)行的。在這種現(xiàn)實(shí)世界使用條件下，競爭對手的部件產(chǎn)生 3031fs，將近基準(zhǔn)抖動值的四倍，超過 10 千兆位以太網(wǎng) PHY 最大輸入時鐘抖動要求 3 倍以上。由于其出色的電源電源抑制性能，在相同條件下，ClockWorks? 部件僅產(chǎn)生 751fs，很容易滿足 10 千兆位以太網(wǎng) PHY 輸入時鐘抖動要求，且可節(jié)約合理的裕度。這讓生產(chǎn)設(shè)備能夠具有重要的抖動裕度，從而使系統(tǒng)資格認(rèn)證更容易。此外，由于使用ClockWorks? 時鐘生成技術(shù)執(zhí)行時，時鐘樹無需廣泛的補(bǔ)充電源調(diào)整組件，因此可節(jié)約總成本。

作為更好地表征 PSRR 的新舉措的一部分，麥瑞半導(dǎo)體引進(jìn)了一種新的測試程序，將 -8dBm 的寬帶白噪聲 (100Hz – 100MHz) 強(qiáng)加在電源上。通過產(chǎn)生噪聲層的整體上升，這種測試方法可在現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中更準(zhǔn)確地模擬電源噪聲，同時創(chuàng)建一個可允許在高度非線性電路中混合各種頻率組件的多頻、豐富的噪聲環(huán)境。表2 概述了ClockWorks? 時鐘合成器技術(shù)的測試與業(yè)界標(biāo)準(zhǔn) SAW 振蕩器設(shè)備的比較。

表2. ClockWorks? PSRR 與 SAW 振蕩器比較

在高度非線性電路中混合各種頻率組件的多頻、豐富的噪聲環(huán)境。表2 概述了ClockWorks? 時鐘合成器技術(shù)的測試與業(yè)界標(biāo)準(zhǔn) SAW 振蕩器設(shè)備的比較。

表 2 的結(jié)果顯示，ClockWorks? 時鐘合成器基線抖動的性能比 SAW 振蕩器好 1.7倍以上。然而，更重要的是，在現(xiàn)實(shí)界系統(tǒng)應(yīng)用程序中常見的典型條件，即有噪聲的電源環(huán)境中，ClockWorks? 時鐘合成器的性能比業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的 SAW 振蕩器好 1.6倍。由于完整時鐘樹解決方案擁有更加簡約高效的 BOM，因此系統(tǒng)資格認(rèn)證將更加順利，并節(jié)省系統(tǒng)總成本與電路板空間，這些增加的受益將有望提高系統(tǒng)抖動裕度。

麥瑞半導(dǎo)體的最新 ClockWorks? SM84xxxx 和 SM802xxx 時鐘合成器系列代表了硅定時技術(shù)的一大飛躍，將真正的飛秒級抖動性能推向市場，將每秒 10 千兆位推進(jìn)為每秒 100 千兆位及更高。在現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)使用中證明了其穩(wěn)固性可為現(xiàn)今的系統(tǒng)和電路板設(shè)計(jì)人員提供豐富的抖動裕度，同時為下一代系統(tǒng)及未來系統(tǒng)提供了時鐘樹無縫升級途徑。