使用 时钟分配器件1 或者扇出缓冲器为ADC 和DAC 提供时钟时,需要考虑印刷电路板上的走线和输出端接,这是信号衰减的两个主要来源。
时钟走线与信号摆幅
PCB 上的走线类似于低通滤波器,当时钟信号沿着走线传输时,会造成时钟信号衰减,并且脉冲沿的失真随线长增加。更高的时钟信号频率会导致衰减、失真和噪声增加,但不会增加抖动,在低压摆率时抖动最大(图 1),一般使用高压摆率的时钟沿。为了实现高质量的时钟,要使用高摆幅时钟信号和短时钟 PCB 走线;由时钟驱动的器件应该尽可能靠近时钟分配器件放置。
ADCLK9542 时钟扇出缓冲器和 ADCLK9143 超快时钟缓冲器就是两款此类时钟分配器件。ADCLK954 包括 12 个输出驱动,可以在 50-Ω的负载上驱动全摆幅为 800-mV 的 ECL(发射极耦合逻辑)或者 LVPECL(低压正 ECL)信号,形成 1.6 V 的总差分输出摆幅,如图2 所示。它可以在4.8 GHz 反转率下工作。ADCLK914 可以在 50-Ω负载上驱动 1.9 V 高压差分信号 (HVDS),形成 3.8 V 的总差分输出摆幅。ADCLK914 具有7.5-GHz 的反转率。
当驱动 DAC 时,时钟分配器件应该尽可能靠近 DAC 的时钟输入放置,这样,所需的高压摆率、高幅度时钟信号才不会引起布线困难、产生 EMI 或由电介质和其它损耗造成减弱。值得注意的是,走线的特性阻抗(Z0)会随走线尺寸(长度、宽度和深度)而变化;驱动器的输出阻抗必须与特性阻抗匹配。
输出端接
时钟信号衰减会增加抖动,因此对驱动器输出的端接很重要,这可以避免信号反射,并可通过相对较大的带宽实现最大能量传输。确实,反射可以造成下冲和过冲,严重降低信号和整体时钟的性能,或者在极端情况下,可能会损坏接收器或驱动器。反射因阻抗不匹配而引起,在走线没有适当端接时发生。由于反射系数本身具有高通特性,因此这对具有快速上升和下降时间的高速信号更重要。反射脉冲与主时钟信号相叠加,削弱了时钟脉冲。如图3 所示,它对上升沿和下降沿增加了不确定的延时或者抖动,从而影响时钟信号的边沿。
端接不当使回声的幅度随着时间而变化,因此∆t 也会随时间变化。端接的时间常数也会影响回声脉冲的形状和宽度。基于以上原因,反射引起的附加抖动,从形状看类似增加经典抖动的高斯特性。为了避免抖动和时钟质量降低的不利影响,需要使用表 1 中总结的恰当信号端接方法。Z0 是传输线的阻抗; ZOUT 是驱动器的输出阻抗, ZIN 是接收器的输入阻抗。显示CMOS 和 PECL/LVPECL电路。
表1. 时钟端接
方法 | 描述 | 优势 | 弱点 | 备注 |
串行端接 |
CMOS 实际上,因为阻抗会随频率动态变化,难以达到阻抗匹配,所以缓冲器输出端可以省去电阻(R)。
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低功耗解决方案(没有对地的吸电流)
很容易计算R的值(Z0 – ZOUT).
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上升/下降时间受RC 电路的影响,增加抖动。
只对低频信号有效。
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CMOS 驱动器
不适合高频时钟信号。
适合低频时钟信号和非常短的走线。
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下拉电阻 |
CMOS |
非常简单 (R = Z0) | 高功耗 |
不推荐 |
LVPECL |
简单的3 电阻解决方案。
就节能而言稍好一点,相对于4 电阻端接来说节省一个电阻。
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推荐。
端接电阻尽可能靠近PECL接收器放置。
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交流端接 |
CMOS |
没有直流功耗。 |
为避免较高功耗,C 应该很小,但也不能太小而导致吸电流。 |
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LVPECL |
交流耦合允许调整偏置电压。避免电路两端之间的能量流动。 |
交流耦合只推荐用于平衡信号(50% 占空比的时钟信号)。 | 交流耦合电容的ESR 值和容值应该很低。 | |
电阻桥 |
CMOS |
功耗实现合理的权衡取舍。 |
单端时钟用两个器件。 |
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LVPECL |
差分输出逻辑用4 个外部器件 | 3.3V LVPECL 驱动器广泛应用端接。 |
参考电路
1www.analog.com/en/products/clock-and-timing/clock-generation-distribution.html.2www.analog.com/en/clock-and-timing/clock-generation-and-distribution/adclk954/products/product.html.
3www.analog.com/en/clock-and-timing/clock-generation-and-distribution/adclk914/products/product.html.