LMK04000系列時(shí)鐘抖動(dòng)清理器：高精度時(shí)鐘解決方案

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，時(shí)鐘信號(hào)的穩(wěn)定性和低抖動(dòng)性能對(duì)于眾多應(yīng)用至關(guān)重要。德州儀器（TI）的LMK04000系列精密時(shí)鐘調(diào)節(jié)器，為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器時(shí)鐘、無線基礎(chǔ)設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)領(lǐng)域提供了低噪聲抖動(dòng)清理、時(shí)鐘乘法和分配的理想解決方案。今天，我們就來深入了解一下這個(gè)系列的產(chǎn)品。

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產(chǎn)品概述

LMK04000系列包括LMK04000、LMK04001、LMK04002、LMK04010、LMK04011、LMK04031和LMK04033等型號(hào)。該系列采用級(jí)聯(lián)PLLatinum?架構(gòu)，結(jié)合外部晶體和變?nèi)?a target="_blank">二極管，無需高性能壓控晶體振蕩器（VCXO）模塊，就能實(shí)現(xiàn)低于200飛秒（fs）的均方根（RMS）抖動(dòng)性能。

產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

級(jí)聯(lián)PLLatinum?架構(gòu)

級(jí)聯(lián)架構(gòu)由兩個(gè)高性能鎖相環(huán)（PLL）、一個(gè)低噪聲晶體振蕩器電路和一個(gè)高性能壓控振蕩器（VCO）組成。PLL1提供低噪聲抖動(dòng)清理功能，PLL2進(jìn)行時(shí)鐘生成。PLL1可配置為與外部VCXO模塊配合使用，或使用集成晶體振蕩器與外部晶體和變?nèi)荻O管。當(dāng)使用非常窄的環(huán)路帶寬時(shí)，PLL1利用VCXO模塊或晶體的優(yōu)異近端相位噪聲（偏移低于50 kHz）來清理輸入時(shí)鐘。PLL2的環(huán)路帶寬可以優(yōu)化，以清理遠(yuǎn)端相位噪聲（偏移高于50 kHz），在這方面，集成VCO優(yōu)于PLL1中使用的VCXO模塊或晶體。

• PLL1參數(shù)：相位檢測(cè)器速率高達(dá)40 MHz，集成低噪聲晶體振蕩器電路，具有帶信號(hào)丟失檢測(cè)（LOS）的雙冗余輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘。
• PLL2參數(shù)：歸一化[1 Hz]PLL噪聲底至 - 224 dBc/Hz，相位檢測(cè)器速率高達(dá)100 MHz，具有輸入頻率倍增器，集成低噪聲VCO。

超低RMS抖動(dòng)性能

• 150 fs RMS抖動(dòng)（12 kHz – 20 MHz）
• 200 fs RMS抖動(dòng)（100 Hz – 20 MHz）

豐富的輸出類型和功能

• 支持LVPECL/2VPECL、LVDS和LVCMOS輸出，支持高達(dá)1080 MHz的時(shí)鐘速率。
• 上電時(shí)具有默認(rèn)時(shí)鐘輸出（CLKout2）。
• 五個(gè)專用通道分頻器和延遲塊，引腳兼容的時(shí)鐘設(shè)備系列。
• 工業(yè)溫度范圍為 - 40至85 °C，工作電壓為3.15 V至3.45 V，采用48引腳WQFN（7.0 x 7.0 x 0.8 mm）封裝。

應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

該系列產(chǎn)品適用于多個(gè)領(lǐng)域，包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器時(shí)鐘、無線基礎(chǔ)設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)（SONET/SDH、DSLAM）、醫(yī)療、軍事/航空航天、測(cè)試和測(cè)量以及視頻等。

詳細(xì)功能解析

系統(tǒng)架構(gòu)

級(jí)聯(lián)PLL架構(gòu)旨在在最寬的輸出頻率和相位噪聲偏移頻率范圍內(nèi)提供最低的抖動(dòng)性能。PLL1與外部參考時(shí)鐘和外部VCXO配合使用，為PLL2提供頻率準(zhǔn)確、低相位噪聲的參考時(shí)鐘。PLL2可以使用更寬的環(huán)路帶寬，利用內(nèi)部VCO的優(yōu)異高偏移頻率相位噪聲和參考VCXO的良好低偏移頻率相位噪聲，實(shí)現(xiàn)超低抖動(dòng)。

冗余參考輸入

LMK040xx有兩個(gè)LVDS/LVPECL/LVCMOS兼容的PLL1參考時(shí)鐘輸入（CLKin0和CLKin1）。可以將首選輸入固定為CLKin0或CLKin1，也可以配置為在存在冗余時(shí)鐘信號(hào)時(shí)采用兩種自動(dòng)切換模式之一。PLL1參考時(shí)鐘輸入緩沖器還可以單獨(dú)配置為CMOS緩沖輸入或雙極緩沖輸入。

PLL1 CLKinX信號(hào)丟失檢測(cè)

當(dāng)為參考時(shí)鐘輸入模式選擇兩種自動(dòng)切換模式之一時(shí)，所選參考時(shí)鐘輸入的信號(hào)狀態(tài)由CLKinX_LOS（信號(hào)丟失）輸出的狀態(tài)指示。這些輸出可以配置為CMOS（信號(hào)丟失時(shí)為高電平）、NMOS開漏或PMOS開漏。如果PLL1最初已鎖定，然后兩個(gè)參考時(shí)鐘都消失，則LMK04000設(shè)備的頻率精度將由PLL1上使用的VCXO的絕對(duì)調(diào)諧范圍確定。

集成環(huán)路濾波器極點(diǎn)

LMK040xx具有可編程的3階和4階PLL2環(huán)路濾波器極點(diǎn)。啟用后，可以從固定值范圍中選擇內(nèi)部電阻器和電容器值，以實(shí)現(xiàn)3階或4階環(huán)路濾波器響應(yīng)。這些可編程組件與芯片附近安裝的外部組件互補(bǔ)。

時(shí)鐘分配

LMK040xx具有一個(gè)時(shí)鐘分配塊，至少有五個(gè)輸出，包括LVPECL、2VPECL、LVDS和LVCMOS的組合。具體組合由部件號(hào)決定。2VPECL是美國國家半導(dǎo)體的專有配置，可產(chǎn)生2 Vpp差分?jǐn)[幅，與許多數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器兼容。

時(shí)鐘輸出控制

每個(gè)時(shí)鐘輸出通道可以通過時(shí)鐘輸出使能控制位啟用或置于高阻抗?fàn)顟B(tài)。每個(gè)輸出使能控制位與全局輸出使能輸入引腳（GOE）進(jìn)行與運(yùn)算。GOE引腳提供內(nèi)部上拉，因此如果外部未端接，則時(shí)鐘輸出狀態(tài)由時(shí)鐘通道輸出使能寄存器位確定。如果GOE引腳被外部信號(hào)拉低，則所有時(shí)鐘輸出可以同時(shí)禁用。

鎖定檢測(cè)

鎖定檢測(cè)（LD）信號(hào)可以連接到GOE引腳，在這種情況下，如果合成器未鎖定，則所有輸出將自動(dòng)禁用。LD引腳可以編程為在PLL1和PLL2都鎖定時(shí)輸出“高”，或僅在PLL1鎖定時(shí)輸出“高”，或僅在PLL2鎖定時(shí)輸出“高”。

電氣特性分析

電源和溫度范圍

• 電源電壓范圍為 - 0.3至3.6 V，輸入電壓范圍為 - 0.3至（VCC + 0.3）V。
• 存儲(chǔ)溫度范圍為 - 65至150 °C，引腳焊接溫度（4秒）為 + 260 °C。
• 差分輸入電流（CLKinX/X，OSCin/OSCin）為 ± 5 mA。

電流消耗

不同型號(hào)和工作模式下的電流消耗不同，例如，在所有時(shí)鐘啟用、所有延遲旁路、Fout禁用的情況下，LMK04000、LMK04001、LMK04002的典型電流消耗為380 mA，最大值為435 mA。

輸入時(shí)鐘規(guī)格

CLKin0/0和CLKin1/1的時(shí)鐘輸入頻率在手動(dòng)選擇模式下為0.001至400 MHz，在自動(dòng)切換模式下為1至400 MHz。

其他電氣特性

還包括PLL1和PLL2的各種參數(shù)，如相位檢測(cè)器頻率、電荷泵電流、噪聲等，以及內(nèi)部VCO的調(diào)諧范圍、相位噪聲和抖動(dòng)等特性。

應(yīng)用信息與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

典型應(yīng)用電路

典型應(yīng)用電路中，主參考時(shí)鐘輸入在CLKin0/0，輔助參考時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)CLKin1/1。連接到OSCin/OSCin*端口的VCXO配置為交流耦合單端驅(qū)動(dòng)器。LD引腳可以編程為輸出鎖定檢測(cè)信號(hào)，當(dāng)鎖定丟失時(shí)，拉低GOE引腳，使所有時(shí)鐘輸出禁用。

環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)

每個(gè)PLL都需要一個(gè)專用的環(huán)路濾波器。PLL1的環(huán)路濾波器應(yīng)連接到CPout1引腳，建議總閉環(huán)帶寬在10 Hz至200 Hz范圍內(nèi)。PLL2的電荷泵直接連接到可選的內(nèi)部環(huán)路濾波器組件，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)確保環(huán)路在VCO的整個(gè)應(yīng)用特定調(diào)諧范圍內(nèi)穩(wěn)定。

電源供應(yīng)和熱管理

建議將時(shí)鐘輸出的電源引腳連接到專用電源平面，其他電源引腳連接到第二個(gè)電源平面。由于設(shè)備的功耗可能較高，需要注意熱管理，確保芯片溫度不超過125 °C?？梢酝ㄟ^在PCB上設(shè)計(jì)熱焊盤和多個(gè)過孔到接地層，以及在PCB另一側(cè)添加銅區(qū)域等方式來散熱。

晶體振蕩器實(shí)現(xiàn)

LMK04000系列支持離散實(shí)現(xiàn)的振蕩器驅(qū)動(dòng)OSCin端口引腳。在選擇晶體時(shí)，需要指定總負(fù)載電容，該電容由調(diào)諧電容、OSCin引腳的輸入電容和PCB的雜散電容組成。

時(shí)鐘輸出端接

在端接時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器時(shí)，應(yīng)遵循傳輸線理論進(jìn)行良好的阻抗匹配，以防止反射。不同類型的輸出（LVDS、LVPECL、LVCMOS）有不同的端接方式，如LVDS驅(qū)動(dòng)器需要閉合電流回路，LVPECL驅(qū)動(dòng)器需要接地的直流路徑等。

編程與配置

通用編程信息

LMK040xx設(shè)備使用多個(gè)32位寄存器進(jìn)行編程。每個(gè)寄存器由4位地址字段和28位數(shù)據(jù)字段組成。編程時(shí)，LE信號(hào)應(yīng)保持低電平，串行數(shù)據(jù)在CLK信號(hào)的上升沿時(shí)鐘輸入。編程完成后，CLKuWire、DATAuWire和LEuWire信號(hào)應(yīng)返回低電平。

推薦編程順序

推薦的編程順序是先將R7的復(fù)位位設(shè)置為1，確保設(shè)備處于默認(rèn)狀態(tài)。然后按順序編程寄存器，最后編程R15。

寄存器功能

各個(gè)寄存器控制著設(shè)備的不同功能，如時(shí)鐘輸出的分頻、延遲、使能，PLL的參數(shù)設(shè)置，參考時(shí)鐘的選擇等。

總結(jié)

LMK04000系列時(shí)鐘抖動(dòng)清理器憑借其級(jí)聯(lián)PLL架構(gòu)、超低抖動(dòng)性能、豐富的功能和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，為電子工程師提供了一個(gè)強(qiáng)大的時(shí)鐘解決方案。在設(shè)計(jì)過程中，需要根據(jù)具體應(yīng)用需求合理配置寄存器、設(shè)計(jì)環(huán)路濾波器、處理電源和熱管理等問題，以充分發(fā)揮該系列產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)。你在使用類似產(chǎn)品時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。