图2. 时钟树框图
这些延迟可能受外界因素的影响,比如电压和温度变化,以及特定器件工艺变化。这种不精确性会叠加,可能导致ADC和DAC无法忍受的时序偏差,而高频时需要对其时钟信号进行同步。现代系统所要求的高工作频率意味着苛刻的建立和保持时间。虽然固定延迟可以通过其它方面加以补偿,但不确定性延迟却无法在系统中补偿。因此,设计人员的目标便是通过某种方式控制不确定性延迟,最小化甚至完全消除其影响。
除这些限制外,树形结构应当是灵活的,以便根据系统需要增加分支数量,并轻松控制它们。
实现时钟对齐和通道偏斜最小化目标的常见做法是使用确定性——也就是说,重复用于所有器件和所有上电时序。在JESD204B系统中,需要对齐本地多帧时钟(LMFC),以实现确定性延迟。接口通过子类1 (SYSREF)或子类2 (SYNC)定义调用发送和接收器件的LMFC复位与对齐。系统中的不确定性延迟使得在1个LFMC周期内实现LMFC的对齐变得更为困难。因此,前文提到的带高精度对齐功能的时钟树结构可以帮助系统设计人员满足LMFC对齐要求。
此外,设计人员还需确保在每一个数据转换器输入端观察到相对于器件时钟而言可以接受的SYSREF信号建立和保持时间。如果设计中使用了单时钟芯片,则满足建立和保持时间要求直接保证了具有适当的时序裕量,而在基于简单时钟缓冲器的多器件时钟树结构中,控制建立和保持时间的难度更大。建议的时钟树结构具有不同层级之间的确定性同步,有助于满足所有层级的全部SYSREF/器件时钟对建立/保持时序的要求。这种时钟树结构可以满足同步限制,并在不同层级之间实现每一个数据转换器高速器件时钟的相位对齐。
时钟树设计
图3显示了一个四级时钟树示例,它采用了一个主时钟生成器件(HMC7044)和三级扇出缓冲器(HMC7043)来创建多个同步时钟,用于采样板。
图3. 四级时钟树示例
使用一个HMC7044器件作为时钟树的根;它是一个14路输出时钟生成器,抖动衰减支持JESD204B同步。HMC7043器件——14路输出扇出缓冲器——用于每一级分支。这些器件完全兼容,它们的编程特性非常相似,因而可以很方便地进行器件匹配以及增加或减少时钟分配级,提升了系统的灵活性。
在时钟树的每一级,各输出之间也许可以实现同步。在本系统中,HMC7044的输出可以通过SPI命令(或者使用更精确的SYNC脉冲)进行相位对齐。该命令将复位HMC7044的通用SYSREF定时器,它控制所有时钟的输出分频器。所有输出时钟分频器均通过SYSREF定时器命令同步对齐。SYNC命令到SYSREF定时器的延迟,以及开启和关断时间之间的延迟非常明确,并提供输出之间具有确定性延迟的同步。此外,可以编程任意输出,生成确定数量的脉冲,用作系统中的SYSREF脉冲。
时钟分配器件HMC7043还含有非常相似的SYSREF定时器结构。该器件利用RFSYNC信号来实现对齐。RFSYNC脉冲将启动与HMC7044的SYNC信号相同的过程,并且所有输出都将以高精度同步。同样,输出可以设为脉冲模式,用作SYSREF脉冲。
建议的时钟树结构基本使用SYSREF信号作为HMC7043的下一级RFSYNC信号,同时在每一级的输出端保持相位对齐。通过仔细的架构设计,所有这些时序信号都可以是确定性的,从而具有严格的偏斜控制。此外,每个器件都包含一个模拟延迟结构,因此输出之间的任何偏斜差异或任何线路长度的不相等都可以在源头进行补偿。
对于RF系统中的复杂数据转换器阵列而言,可能需要使用不同的频率,因为ADC、DAC、FPGA、本振和混频器可能采用不同频率的时钟信号。HMC7044和HMC7043都集成了分频器,可生成多种频率的信号。另外,HMC7044具有双PLL结构,集成VCO,无需额外元件即可生成高频时钟。
常见通信系统的额外复杂性在于,大部分RF前端元件依赖串行接口连接到发送/接收模块,要求数据和时钟通过数字处理器或FPGA来嵌入/消除。这个过程通常会产生干扰基准时钟抖动,要求在较大的RF时钟生成和分配器件中集成抖动衰减能力,比如HMC7044。
用于数据转换器阵列的紧凑型解决方案如图4所示。