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(多图) 用SiGe和SAW技术实现高速串行互连结构的超精确计时

Stephen Rogers?? 赛普拉斯半导体公司?? 2004年10月08日 ?? 收藏0

Gbps 的 CYP15G0401DX Hotlink II SERDES 器件的串行输出。在此情况下,125 MHz 的参考时钟来自清洁的时钟生成器。输出眼图 (output eye diagram) 大开,抖动很低。相反,图 5 显示运行于相同速率的同一器件,但采用质量较低的抖动时钟源作为传输参考时钟。时钟源周期到周期的抖动约为 200 psec,出现在串行输出上。范围读取显示出图 5 中输出的峰值至峰值抖动为 342 psec;采用图 4 的时钟源时该数值则为 95 psec。
该 CYP15G0401串行输出采用抖动时钟源作为参考时钟
图5,该 CYP15G0401串行输出采用抖动时钟源作为参考时钟。


  根据惯例,系统中的每个 SERDES 器件都用各自专门的高质量晶体振荡器进行计时,从而满足有关抖动要求。对于要求参考时钟速率大于晶体振荡器可获得速率的 SERDES 而言,可采用昂贵的泛音振荡器或在振荡器和参考输入间插入 PLL,使时钟信号放大至所需的速率。添加 PLL 会导致参考时钟出现更多抖动,也会生成与 SERDES 中发送器 PLL 串联的 PLL 系统。串联 PLL 尽管对顺序逻辑类型电路是可接受的,但对于要求参考时钟具有高精

度和长期稳定性的系统,我们通常不建议采用它。PLL 的环路带宽特性会传递低频率抖动,也会扩大出现在传输曲线拐点的组件抖动,通常您在此处会发现抖动峰值。串行数据流中多了上述抖动,就可能导致低质量连接,很容易发生数据错误,甚至根本就不能工作。
  当各个振荡器对 SERDES 链接的两端进行计时时,ppm 高精度要求两个参考完美匹配,这就需要高精度的晶振。精度越高,往往也就意味着晶振制造商的成本越高。成本较低的选择是采用一对高精度时钟源,并使该时钟的分配不产生额外的抖动或失真。SAW 振荡器和 SiGe 扇出缓冲器两种技术不断发展催生了一种新技术,它是以更可靠和更经济高效的方式使用计时多收发 SERDES 的新方法。
  SAW 振荡器
  SAW 振荡器是低抖动、高精度器件,您可用其生成达到 1 GHz 的基本频率;最常见的标准频率生成器(基于石英晶体切片 (quartz-crystal cut-based) 的振荡器)生成基本频率的上限仅为约 20 至 30 MHz。AT 与基于泛音的振荡器等其它振荡器能获得更高的频率(AT 是什么意思?笔者认为:AT 代表切过晶格的角度,用于构成晶体谐振器),但它总会产生一些不良问题,如由污染、寄生响应以及较差的抗冲击性等引起的有害振荡。由于实现了高频率、高精度和低抖动,所以 SAW 振荡器在采用高速串行连接的系统中是理想的 SERDES 参考时钟。
通用串行信令标准的典型参考时钟要求
表1,通用串行信令标准的典型参考时钟要求


  表 1 列出了各种串行标准和系统的某些典型的参考时钟频率和抖动要求。该表显示出,就目前常见的高速串行标准而言,SERDES 参考时钟的频率要求比基本频率晶体振荡器能够更好地适应 SAW 振荡器的范围。频率要求也意味着低频率晶体振荡器必须用基于 PLL 的器件将其放大至所需的频率。但是,该方法也会放大晶体抖动,并增大其自身的抖动,这就使之难以满足规范的要求。
  SAW 理论
  振荡器器件包括连接至振荡电路的谐振器。晶体振荡器采用相对侧带有导电电极的石英晶体切片作为谐振器,标准就是 AT 晶体切片。对晶体加电压,就会产生机械振动,从而也就生成晶体自然谐振频率的输出电压;这一过程称作压电效应。当连接至振荡器电路时(如皮尔斯振荡器或考毕兹振荡器),加于晶体的电压产生机械振动,从而也就生成晶体自然谐振频率的输出电压。谐振器和振荡器电路位于相同的封装中,可作为频率发生源。典型的输出标准为低电压 CMOS 电平。
SAW 谐振器包括压电亚层,一般为Y型切割石英
图6,SAW 谐振器包括压电亚层,一般为Y型切割石英。


  SAW 谐振器还采用压电效应生成基本的谐振频率。但是,其工作的方式根本不同。SAW 谐振器包括一个压电基板,通常是 Y 型切片的石英(图 6)。交叉指型金属指针 (Interdigitized metal finger) 刻在基板表面以形成 IDT(内部交叉指型变送器)。当电子信号激活 IDT 时,其在相对极联锁金属指针间生成电场。于是,反压电效应会使基板表面发生机械变形,这就形成表面声波,从变送器两侧向外传播。声波由基板两端的反射器反射,生成驻波并在输出变送器处转换回电子信号。谐振基本频率取决于波的传播速度和交叉指型周期(即传感器金属指针之间的间距)。SAW 谐振器在实际应用中可在约 100 MHz 至 1 GHz 的范围内工作。
  当您将 SAW 谐振器连接至振荡电路时,您会得到高质量、高频率生成器件。SAW 振荡器典型的输出标准为差分、LVPECL 或 LVDS,抖动性能在微微秒级上,这也是标准的。因为无需添加 PLL 即可生成更高的频率,所以 SAW 振荡器是理想的时钟源


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SiGe? SAW? 高速? 串行?

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