以往傳統(tǒng)的晶體振蕩器基本可以滿足當(dāng)時(shí)的產(chǎn)品需要,后期隨著各種智能型,AI,多功能設(shè)備機(jī)器的出現(xiàn),常規(guī)的振蕩器性能支持不了產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求,需要更靈活的晶振方案.什么是靈活性石英晶體振蕩器呢?說到靈活性的振蕩器,大家首先想到的應(yīng)該是MEMS可編程晶體振蕩器了吧,因?yàn)樗哂蓄l率可編程功能,可以任意選擇任何一種頻點(diǎn)進(jìn)行編程,簡(jiǎn)化時(shí)序架構(gòu).

由于現(xiàn)代電子系統(tǒng)所需參考時(shí)鐘的頻率和抖動(dòng)要求差異很大,因此通常需要各種獨(dú)立的晶體振蕩器和固定頻率時(shí)鐘乘法器IC,以為數(shù)據(jù)路徑和控制平面提供完整的時(shí)序架構(gòu)..Si5338是業(yè)界第一款時(shí)鐘發(fā)生器,能夠在四個(gè)獨(dú)立的輸出時(shí)鐘上支持任何速率的頻率合成.通過提供這種水平的頻率靈活性,Si5338消除了對(duì)固定頻率時(shí)鐘發(fā)生器和分立石英振蕩器需求.

現(xiàn)代通信,網(wǎng)絡(luò)和廣播視頻硬件設(shè)計(jì)使用各種各樣的處理器,FPGA,存儲(chǔ)器和物理層收發(fā)器來執(zhí)行最終應(yīng)用程序所需的所有任務(wù)和過程.由于新設(shè)計(jì)中集成度的不斷提高,這些應(yīng)用中的時(shí)序架構(gòu)變得越來越復(fù)雜.每個(gè)IC都有其自己獨(dú)特的參考時(shí)鐘要求,必須在單個(gè)設(shè)計(jì)中仔細(xì)管理多個(gè)時(shí)鐘域.進(jìn)一步復(fù)雜的硬件設(shè)計(jì),帶有嵌入式串行器/解串器(SERDES)的高速物理層收發(fā)器和FPGA具有嚴(yán)格的抖動(dòng)要求,以確保符合最終應(yīng)用的誤碼率(BER)規(guī)范.表1列出了流行的通信,網(wǎng)絡(luò)和廣播視頻應(yīng)用中處理器,存儲(chǔ)器和物理層收發(fā)器所需的各種典型時(shí)鐘頻率.

表1.典型時(shí)鐘頻率(按應(yīng)用)

傳統(tǒng)時(shí)序架構(gòu)的示例在最終應(yīng)用中提供了時(shí)鐘生成和時(shí)鐘分配,如圖1和2所示.

圖1.通信和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的傳統(tǒng)時(shí)序架構(gòu)

圖2.廣播視頻應(yīng)用中的傳統(tǒng)時(shí)序架構(gòu)

鑒于每種硬件設(shè)計(jì)的獨(dú)特要求,通常使用固定頻率時(shí)鐘發(fā)生器/乘法器,離散時(shí)鐘晶振和復(fù)用器的組合為每種應(yīng)用定制時(shí)序架構(gòu).當(dāng)時(shí)鐘發(fā)生器和IC之間需要時(shí)鐘格式轉(zhuǎn)換時(shí),需要額外的電平轉(zhuǎn)換器IC.某些應(yīng)用需要多協(xié)議高速串行數(shù)據(jù)傳輸,如上面圖2中的HDTV廣播視頻示例所示.這些應(yīng)用需要多個(gè)振蕩器和支持多路復(fù)用器的電路來支持應(yīng)用的多協(xié)議要求.

除了產(chǎn)生標(biāo)稱時(shí)鐘頻率之外,某些應(yīng)用還需要頻率裕度時(shí)鐘,這些時(shí)鐘產(chǎn)生的參考電壓相對(duì)于標(biāo)稱頻率略有正或負(fù)偏移(例如66.6MHz±5％).這些頻率裕度時(shí)鐘用于產(chǎn)品驗(yàn)證和/或制造測(cè)試期間,以測(cè)試設(shè)計(jì)在電壓和溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)健性,并確保為系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件提供足夠的設(shè)置和保持裕度.傳統(tǒng)上,已使用分立的定制頻率貼片振蕩器來實(shí)現(xiàn)頻率裕度.由于這些額外的組件僅在產(chǎn)品驗(yàn)證和/或制造測(cè)試期間使用,而不是在正常運(yùn)行期間使用,因此BOM成本和復(fù)雜性增加以支持此要求.

傳統(tǒng)時(shí)鐘倍頻器架構(gòu):

傳統(tǒng)的時(shí)鐘發(fā)生器使用簡(jiǎn)單的基于整數(shù)N鎖相環(huán)(PLL)的架構(gòu).輸出時(shí)鐘頻率是輸入時(shí)鐘頻率和PLL分頻器值的函數(shù),如公式和圖3所示:

圖3.傳統(tǒng)的Integer-NPLL時(shí)鐘架構(gòu)

傳統(tǒng)的基于PLL的單IC解決方案適用于參考輸入的簡(jiǎn)單整數(shù)時(shí)鐘乘法或晶體輸入的時(shí)鐘生成.但是,許多應(yīng)用程序要求生成多個(gè)非整數(shù)相關(guān)頻率的時(shí)鐘(例如125MHz以太網(wǎng)和106.25MHz光纖通道).傳統(tǒng)解決方案要求更改晶體頻率以支持每個(gè)獨(dú)特的頻率計(jì)劃.這迫使設(shè)計(jì)人員使用一個(gè)或多個(gè)定制晶體和多個(gè)時(shí)鐘發(fā)生器IC來生成所需的一組頻率,從而增加了整體解決方案的成本,復(fù)雜性和功耗.

新的無(wú)速率時(shí)鐘乘法器架構(gòu)簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì):

混合信號(hào)模擬設(shè)計(jì)的最新進(jìn)展使得從單個(gè)設(shè)備提供任意速率的頻率合成成為可能.如圖4所示,Silicon晶振公司最新的時(shí)鐘架構(gòu)利用分?jǐn)?shù)NPLL與稱為MultiSynth的低抖動(dòng)分?jǐn)?shù)分頻器配合使用,以在多個(gè)輸出時(shí)鐘上產(chǎn)生任意速率的頻率合成.該新產(chǎn)品系列的旗艦產(chǎn)品是Si5338Any-Rate,Any-Output Quad Clock Generator.通過將四個(gè)PLL的頻率合成功能集成到單個(gè)器件中,該技術(shù)大大簡(jiǎn)化了時(shí)序架構(gòu),與傳統(tǒng)解決方案相比,極大地減小了尺寸和功耗要求.

圖4.Si5338任意速率、任意輸出時(shí)鐘發(fā)生器架構(gòu)

多重合成技術(shù):

圖5顯示了多合成器小數(shù)分頻器的詳細(xì)框圖.Si5338的低相位噪聲、高頻壓控晶振在四條獨(dú)立輸出路徑的每一條路徑上為MultiSynth模塊提供高頻輸出時(shí)鐘.多合成器架構(gòu)的第一級(jí)是小數(shù)N分頻,它可以在兩個(gè)最接近的整數(shù)分頻值之間無(wú)縫切換,以產(chǎn)生誤差為0ppm的精確輸出時(shí)鐘頻率.為了消除此過程產(chǎn)生的相位誤差,多合成器計(jì)算小數(shù)N分頻產(chǎn)生的時(shí)鐘和所需輸出時(shí)鐘之間的相對(duì)相位差,并動(dòng)態(tài)調(diào)整相位以匹配理想時(shí)鐘波形.這種新穎的方法使得產(chǎn)生任何輸出時(shí)鐘頻率而不犧牲抖動(dòng)性能成為可能.基于這種架構(gòu),每個(gè)輸出時(shí)鐘可以單獨(dú)編程,以產(chǎn)生0.16至350MHz的任何頻率,并選擇頻率至700MHz.這種基于多合成器的架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的典型抖動(dòng)性能為1ps均方根值.

圖5.多同步架構(gòu)概述

這種基于多同步的架構(gòu)提供了出色的抖動(dòng)性能,如表2所示.

表2.Si5338任何速率,任何輸出ClockGenerator的抖動(dòng)性能

如圖6和7所示,這種水平的抖動(dòng)性能使將數(shù)據(jù)路徑和控制平面時(shí)鐘整合到單個(gè)設(shè)備中成為可能.除了顯著簡(jiǎn)化BOM成本和復(fù)雜性之外,通過移植可以節(jié)省50％或更多的功率.這個(gè)新的解決方案.由于將多個(gè)組件替換為采用小型4x4mm24-QFN封裝的單個(gè)IC替代了電路板空間,因此可以將電路板空間最小化.

圖6.Si5338簡(jiǎn)化了通信和網(wǎng)絡(luò)時(shí)序架構(gòu)

圖7.Si5338簡(jiǎn)化了廣播視頻時(shí)序架構(gòu)

板級(jí)測(cè)試的頻率裕度:

使用這種方法可以大大簡(jiǎn)化頻率裕度,因?yàn)?/span>多合成器的分?jǐn)?shù)分頻器值可以動(dòng)態(tài)更改,以便時(shí)鐘輸出產(chǎn)生可變的時(shí)鐘源.所有頻率轉(zhuǎn)換都是連續(xù)且無(wú)干擾的.使用這種架構(gòu),可以實(shí)現(xiàn)小至1kHz和大至10MHz的頻率轉(zhuǎn)換.每個(gè)輸出時(shí)鐘的頻率都可以在最高350MHz的任何頻率下動(dòng)態(tài)更改.結(jié)果,可以消除傳統(tǒng)上用于板級(jí)測(cè)試的獨(dú)立晶體振蕩器.

綜合水平翻譯:

每個(gè)Si5338輸出時(shí)鐘的信號(hào)格式都可以由用戶編程為圖8中列出的任何選項(xiàng).此功能消除了大多數(shù)設(shè)計(jì)中使用外部電平轉(zhuǎn)換器的需要.此外,由于每個(gè)Si5338輸出時(shí)鐘都有獨(dú)立的電源電壓,因此簡(jiǎn)化了在混合電源應(yīng)用中的使用.每個(gè)器件的輸出都可以編程為支持下面列出的任何輸出時(shí)鐘/VDD組合.例如,可以同時(shí)支持1.8V LVDS,3.3 VCMOS和2.5 VLVPECL.晶振內(nèi)核由工作在1.8V,2.5V和3.3V的獨(dú)立電源電壓工作,并且與輸出時(shí)鐘電源電壓(VDDO0至VDDO3)無(wú)關(guān).

圖8.Si5338提供用戶可編程的輸出時(shí)鐘格式

Si5338是業(yè)界第一款時(shí)鐘發(fā)生器,能夠在四個(gè)獨(dú)立的輸出時(shí)鐘上支持任何速率的頻率合成.通過提供這種水平的頻率靈活性,Si5338消除了對(duì)固定頻率時(shí)鐘發(fā)生器和分立晶體振蕩器的需求.該器件具有出色的1psRMS抖動(dòng)性能,使單個(gè)器件即可為物理層收發(fā)器以及處理器,網(wǎng)絡(luò)處理器,FPGA和存儲(chǔ)器提供參考時(shí)序.由于不再需要處于裕度頻率的晶體振蕩器,因此大大簡(jiǎn)化了頻率裕度.為了進(jìn)一步降低BOM成本和復(fù)雜性,MEMS時(shí)鐘晶體振蕩器支持用戶可編程的輸出時(shí)鐘格式,從而消除了對(duì)離散電平轉(zhuǎn)換器的需求.Si5338提供的一流性能和集成度極大地簡(jiǎn)化了通信和廣播視頻應(yīng)用中的時(shí)序架構(gòu).