基于对定时误差性能的理解，探讨CMEMS振荡器的应用

1、引言

本应用指南概述了定时精度的常见措施，为SILICON LABS公司的 Si501/Si502/Si503/Si504 CMEMS 系列提供了具体的测量和计算数字，确定选定的数字系统，其可使用 Si501/Si502/Si503/Si504 作为其定时参考，且由此受益于其可靠性、稳定性和长期性能。Si501/Si502/Si503/Si504 可以作为许多数据通信系统、所有数据处理系统以及较低性能数据转换系统的参考时钟。

振荡器用于向数字系统提供定时参考。一个完善的定时参考会产生由周期隔开的上升沿的重复序列，T，且每个周期准确为 T。然而，在现实世界中，由于噪音，在振荡期间，所有定时参考均有一些偏差或错误。在各个数字系统中，可以接受一定量的定时误差，且将不会引起数字系统的性能产生任何显著退化。可接受定时误差的量和类型，本应用说明还显示， Si501/Si502/Si503/Si504 可以作为许多数据通信系统（上至包括 Fast Ethernet 10/100 Mbps 的系统）、所有数据处理系统以及较低性能数据转换应用的参考时钟。

2、定时误差的类型

定时不准的四项主要测量为：

1)频率精度 单位为百万分之（ppm），以许多（> 1 百万）连续周期的平均周期的倒数作为测量

2)相位抖动 ，或者边沿不确定，以秒为单位，在频带之上的频域中测量，通过从起始频率到终点频率（例如12 kHz 到 20 MHz）进行整合或测量定时误差，从基波频率中偏移，且由两者组成：

    a.统计学随机抖动，采用均方根值（rms）量

    b.统计学确定性抖动，采用峰峰值（p-p）量

3)周期抖动， 或变化，以秒为单位测量，在下列之间：

   a.邻边， N=1，作为 K 测量的统计（rms）或最大（p-p）（这是 周期抖动 的默认值）

    b.间隔 N 周期的两条边沿，作为 K 测量的最大（p-p）（或称 长期抖动 （LTJ） 或 N 相邻周期间抖动 ）

4)相邻周期间抖动， 以秒为单位测量，作为相邻周期的差值。

3、数字功能的类型

数字功能具有三种基本类型。每一类型都对不同类型的定时误差很敏感，因此要求不同的定时规格，以确保其功能性：

1)要求符合数据吞吐率设置和保持定时限制的数据处理电路，将指定参考时钟频率精度以及周期抖动（N=1）或相邻周期间抖动。

2)要求符合发射与接受眼图限制的数据通信电路，将指定参考时钟频率精度以及相位抖动或周期抖动（N>1）为特定数据流长度（N=# 数据位）。

3)要求符合信号噪声比（SNR）或音频/ 视频清晰度限制的数据转换电路，将指定参考时钟频率精度以及相位抖动或周期抖动（N>1）。

上面所列的每个数据系统功能均要求一定级别的频率精度。该限制通常是系统工程师所熟知的，且可以很容易地与规定的 Si501/Si502/Si503/Si504 频率精度限制相比较。Si501/Si502/Si503/Si504 有两个频率精度版本，分别为 ±50 ppm 和 ±20 ppm。该级别的频率精度将符合所有数字系统的要求，除了那些目前服务于 TCXO、VCXO 或 OCXO 组件的之外。

4、数据处理应用

数据处理应用必须确保控制器或处理器的指令在各个时钟边沿均能完成。在许多先进的处理器中，参考时钟倍增到一个较高的内部频率。内部时钟周期的变化将包括 PLL 电源噪声、内部时钟信号上的耦合噪声和参考时钟噪声。许多系统中，～ 1％ 的内部时钟周期分配给了参考时钟抖动。所以对于 100 MHz 内部参考时钟，允许抖动<100 ps （= 1% x 1/100E6） 。这意味着参考时钟 ptp 周期抖动必须小于 100 ps，这样 Si501/Si502/Si503/Si504 很容易既符合TYP 又符合 MAX 数据表的 ptp 周期抖动规格。

5、数据通信应用

数据通信应用必须使用眼图模板进行传送和接收，同时满足数据传送中一定的误码率（BER）。眼图边沿不确定（或 接近 ）的结果来自参考时钟抖动外加许多其他因素，比如耦合系统噪音、数据相关抖动以及传送器抖动。

各个数字通信系统都有一条相关综合带，在此，参考时钟抖动很重要。该综合带由传送器以及接收器 PLL 环路带宽（BW）确定。传送器和接收器 PLLs 在其带宽（BW）范围内追踪参考时钟抖动，并衰减高于其带宽（BW）的。因此，唯一相关的参考时钟抖动是未滤过的，从而接收器无法追踪。

组合的 PLLs 创建了带通滤波器，其适用于参考时钟相位抖动。该带通滤波器称为数字通信系统综合带。该频带开始于上限频率（起始频率），且受下限频率（终点频率）限制。因此，各个数字通信系统的参考时钟相位抖动必须经相关综合带过滤。

在大多数数据通信标准中，10% 到 35% 单位间隔（UI）的任意地方分配给了传送器抖动（UI ＝ 1 个传送位周期，它是原始数据速率的倒数）。基于各种系统参数，如果已知确定性抖动和可接受的 BER，通常抖动规定为从起始频率到终点频率的最大（ptp）相位抖动，其可以转换成 rms 抖动。数据通信标准和 Si501/Si502/Si503/Si504 性能列在表 1 内。

6、数据转换应用

数据转换应用必须确保模拟- 数字（A/D）或数字- 模拟（D/A）转换器的 SNR 不受参考时钟抖动的影响。这意味着，参考时钟所产生的采样噪声不应高于正常量化噪声的一半。

数据转换器的满量程量化噪声已知为 SNR dB ＝ 6.02 ENOB ＋ 1.76，这里 ENOB 是有效数位。由于采样抖动，SNR 为 SNR dB ＝ 20 log（1/（2×pi×Fmax×tjit_rms）），这里 tjit_rms 为总 rms 抖动，且 Fmax 为最高 A/D 输入或 D/A 输出频率。注意， Fmax 频率越快，则相同采样抖动产生的误差就越多。还要注意的是 Fmax 频率并不总是与参考时钟频率相同。

等同这些并求解 tjit_rms，规定 tjit_rms ＝ 1/ （7.69 x Fmax x 2^ENOB)。例如，某一系统 ENOB ＝8 位，且 Fmax ＝ 10 MHz，要求 tjit_rms < 51 ps，我们将除以二得到差数。25.5 ps 将为由编码器带宽所感兴趣的最低频率集成的最大参考时钟相位抖动。如果感兴趣的最低频率为 10 KHz，且编码器的带宽为 20 MHz （2×Fmax），那么集成带将在 10 KHz 和 20 MHz 之间。

因为 Si501/2/3/4 中使用的第一代电路具有较高的“ 接近” 相位噪声（<100 KHz），它不适用于这些类型的高分辨率数据转换应用。在该例中，从 10 kHz 到 20 MHz 集成的 Si501/2/3/4 相位噪音超过 25.5 ps。同样地，对于 20 Hz 到20 kHz 声频带， Si501/2/3/4 抖动允许 14 位的 ENOB，这低于 CD 品质音频（ENOB ＝ 16），并远低于 HiDef 音频（ENOB ＝ 24）。分辨率较低的应用或者 Fmax，例如， Fmax ＝ 10 MHz 的 6 位，或者 Fmax ＝ 2.5 MHz 的 8位，就应该可以。

7、总结

总之，对于许多类型的应用和标准来说， Si501/Si502/Si503/Si504 具有很好的抖动特性。其频率精度、周期抖动和相邻周期间抖动都是业界领先的振荡器类，且其集成相位抖动对于许多目标数字通信应用都是可以接受的。