異步時(shí)鐘與同步時(shí)鐘的晶體振蕩器使用解決方案
來源：http://zghybn.com 作者：金洛鑫電子 2019年09月18
時(shí)鐘源是每種產(chǎn)品內(nèi)部都比較重要的模塊,決定了產(chǎn)品使用的壽命,性能,功能以及精準(zhǔn)性,可以分為同步時(shí)鐘和異步時(shí)鐘.因?yàn)橐蟊容^高,采用的電子元器件大多都是中高端級別的,尤其是時(shí)鐘晶體振蕩器,應(yīng)用的類型主要有XO晶振,VCXO晶振這兩種.那么XO和VCXO這兩大類晶振有什么區(qū)別,哪種更適合用于異步時(shí)鐘和同步時(shí)鐘呢?本文將仔細(xì)的解答和說明,二者之間的關(guān)系與區(qū)別,以及是如何使用到異步與同步時(shí)鐘系統(tǒng)的.
為特定應(yīng)用選擇合適的器件取決于許多因素,包括時(shí)鐘是否必須與外部提供的參考時(shí)鐘同步,處理器的系統(tǒng)架構(gòu)和高速串行數(shù)據(jù)傳輸IC,以及頻率和最終應(yīng)用的抖動(dòng)要求.在高性能應(yīng)用中,低抖動(dòng)和低相位噪聲至關(guān)重要,因?yàn)樗鼈儗Ω咚俅袛?shù)據(jù)傳輸應(yīng)用中的誤碼率和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的信噪比有直接影響.
隨著硬件設(shè)計(jì)人員在單一硬件設(shè)計(jì)中需要支持越來越多的標(biāo)準(zhǔn),協(xié)議和規(guī)范,高性能應(yīng)用中的硬件設(shè)計(jì)(如網(wǎng)絡(luò),無線/RF傳輸,廣播視頻以及測試和測量)變得越來越復(fù)雜.一些例子說明了這種趨勢.最新的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不僅支持SONET/SDH和以太網(wǎng),還支持高清視頻傳輸.下一代無線基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備旨在支持WiMAX和LTE(長期演進(jìn)).廣播視頻設(shè)備涵蓋各種功能,包括圖像捕獲,編碼,解碼,處理和視頻傳輸,必須支持NTSC和PAL標(biāo)準(zhǔn),以確保全球兼容性.隨著傳統(tǒng)上不同類型設(shè)備之間的界限變得越來越模糊,出現(xiàn)了單獨(dú)的挑戰(zhàn).在這些應(yīng)用中設(shè)計(jì)最有效的時(shí)序架構(gòu)至關(guān)重要,以最大限度地縮短設(shè)計(jì)時(shí)間和BOM成本.
異步時(shí)鐘
最簡單的時(shí)鐘生成源是OSC晶振(XO),它為單個(gè)組件生成單個(gè)輸出頻率.XO通常用于異步應(yīng)用,如圖1所示.每個(gè)振蕩器提供本地參考以維護(hù)兩個(gè)獨(dú)立的時(shí)鐘域.系統(tǒng)操作要求XO頻率接近但不相同.該架構(gòu)非常適合突發(fā)模式流量應(yīng)用.連續(xù)通信需要比特或數(shù)據(jù)包填充和FIFO管理,以防止上溢/下溢情況.視頻處理設(shè)備和10/100/1000BaseT以太網(wǎng)是使用異步時(shí)鐘的應(yīng)用程序的示例.XO選擇應(yīng)基于最終應(yīng)用的頻率,抖動(dòng)和穩(wěn)定性要求.
圖1.異步時(shí)鐘示例
同步時(shí)鐘
同步時(shí)鐘最常用于需要連續(xù)通信的應(yīng)用程序中.必須最小化網(wǎng)絡(luò)延遲和延遲的可變性.為實(shí)現(xiàn)此目的,包括SONET/SDH,同步以太網(wǎng)(SyncE),無線回程和視頻傳輸在內(nèi)的應(yīng)用要求源和目標(biāo)以相同的頻率運(yùn)行.在發(fā)送側(cè),為高速SerDes的發(fā)送路徑提供定時(shí)的時(shí)鐘被鎖定為高度精確的參考時(shí)鐘.主要和次要參考時(shí)鐘都是從集中定時(shí)源(例如GPS)提供的.PLL用于鎖定此背板參考,衰減時(shí)鐘信號上的抖動(dòng)以消除不需要的噪聲,并為PHY提供低抖動(dòng)輸出時(shí)鐘.在接收端,時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)(CDR)單元用于恢復(fù)系統(tǒng)時(shí)鐘.
根據(jù)應(yīng)用,該CDR可以是外部組件或集成在PHY內(nèi).Oscillator可用于使CDR居中以提供快速獲取和鎖定.恢復(fù)的時(shí)鐘通過另一個(gè)PLL,將時(shí)鐘頻率降低到較低的速率.本地定時(shí)可以與此時(shí)鐘同步,也可以與同步到集中定時(shí)源的另一個(gè)本地時(shí)鐘同步.與源的同步確保了網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步.根據(jù)系統(tǒng)要求,本應(yīng)用中使用的PLL可能需要低環(huán)路帶寬來濾除時(shí)鐘信號中不需要的抖動(dòng).
圖2.同步時(shí)鐘示例
PLL可以使用集成時(shí)鐘IC或壓控晶體振蕩器(VCXO),相位檢測器和環(huán)路濾波器實(shí)現(xiàn)離散.當(dāng)需要盡可能低的抖動(dòng)和最佳可能的相位噪聲時(shí),優(yōu)選分立解決方案.在某些應(yīng)用中,處理器或ASIC將相位檢測器和電荷泵集成在IC內(nèi),因此只需要VCXO壓控振蕩器和外部環(huán)路濾波器,如下面的圖3所示.
圖3.ASIC中的部分集成PLL
但是,離散PLL解決方案存在多種缺點(diǎn).分立式PLL需要模擬設(shè)計(jì)專業(yè)知識,并且對板級噪聲敏感,因此在設(shè)計(jì)和PCB布局中必須特別小心.此外,分立PLL通常提供單個(gè)輸出頻率.如果設(shè)計(jì)的頻率要求發(fā)生變化,則必須提供單獨(dú)的VCXO.在某些應(yīng)用中,需要多個(gè)壓控振蕩器來生成應(yīng)用中的所有所需頻率,從而增加了BOM的復(fù)雜性.為了解決這些缺點(diǎn),現(xiàn)在可以通過SiliconLab的Si571實(shí)現(xiàn)雙通道,四通道甚至任何速率的I2C可編程VCXO,通過用單個(gè)器件替換多個(gè)分立VCXO來滿足多速率應(yīng)用.
另一種方法是使用抖動(dòng)衰減時(shí)鐘倍頻器IC,它集成了片內(nèi)PLL電路.時(shí)鐘倍頻器保持對參考時(shí)鐘的鎖定,濾除不需要的抖動(dòng),并為發(fā)送器生成倍頻輸出時(shí)鐘.在時(shí)鐘倍頻器IC選擇中必須特別小心,因?yàn)樗袝r(shí)鐘倍頻器都不相同.對于高速串行數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用,只有最高性能的時(shí)鐘倍頻器IC才能提供滿足最終應(yīng)用要求所需的抖動(dòng)性能.
關(guān)鍵規(guī)范是最大抖動(dòng)生成,而不是典型的抖動(dòng)生成.指定最大抖動(dòng)的時(shí)鐘倍頻器使硬件設(shè)計(jì)人員能夠在電路板中的數(shù)據(jù)路徑和定時(shí)組件之間分配抖動(dòng)預(yù)算,并確保在所有條件下都有足夠的余量.另外,檢查時(shí)鐘倍頻器IC上可用的環(huán)路帶寬選項(xiàng).如果需要參考時(shí)鐘的抖動(dòng)衰減,則環(huán)路帶寬通常必須為1kHz或更低.最后,確認(rèn)時(shí)鐘倍頻器IC支持所有必需的頻率規(guī)劃.Silicon晶振Si5319是一個(gè)提供抖動(dòng)衰減和任意速率頻率合成的頻率捷變時(shí)鐘倍頻器的例子.
最后,當(dāng)需要系統(tǒng)級時(shí)鐘功能時(shí),時(shí)鐘解決方案優(yōu)于離散解決方案.一個(gè)例子是輸入時(shí)鐘之間的無中斷切換,其中時(shí)鐘監(jiān)視主參考時(shí)鐘的質(zhì)量,并在檢測到主時(shí)鐘上的報(bào)警條件時(shí)切換到輔助參考.另一種流行的系統(tǒng)級時(shí)鐘要求是保持,其中時(shí)鐘在沒有有效參考時(shí)鐘的情況下繼續(xù)產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出時(shí)鐘.可以從多個(gè)供應(yīng)商處獲得滿足這些系統(tǒng)級要求的時(shí)鐘.
為特定應(yīng)用選擇合適的器件取決于許多因素,包括時(shí)鐘是否必須與外部提供的參考時(shí)鐘同步,處理器的系統(tǒng)架構(gòu)和高速串行數(shù)據(jù)傳輸IC,以及頻率和最終應(yīng)用的抖動(dòng)要求.在高性能應(yīng)用中,低抖動(dòng)和低相位噪聲至關(guān)重要,因?yàn)樗鼈儗Ω咚俅袛?shù)據(jù)傳輸應(yīng)用中的誤碼率和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的信噪比有直接影響.
隨著硬件設(shè)計(jì)人員在單一硬件設(shè)計(jì)中需要支持越來越多的標(biāo)準(zhǔn),協(xié)議和規(guī)范,高性能應(yīng)用中的硬件設(shè)計(jì)(如網(wǎng)絡(luò),無線/RF傳輸,廣播視頻以及測試和測量)變得越來越復(fù)雜.一些例子說明了這種趨勢.最新的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不僅支持SONET/SDH和以太網(wǎng),還支持高清視頻傳輸.下一代無線基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備旨在支持WiMAX和LTE(長期演進(jìn)).廣播視頻設(shè)備涵蓋各種功能,包括圖像捕獲,編碼,解碼,處理和視頻傳輸,必須支持NTSC和PAL標(biāo)準(zhǔn),以確保全球兼容性.隨著傳統(tǒng)上不同類型設(shè)備之間的界限變得越來越模糊,出現(xiàn)了單獨(dú)的挑戰(zhàn).在這些應(yīng)用中設(shè)計(jì)最有效的時(shí)序架構(gòu)至關(guān)重要,以最大限度地縮短設(shè)計(jì)時(shí)間和BOM成本.
異步時(shí)鐘
最簡單的時(shí)鐘生成源是OSC晶振(XO),它為單個(gè)組件生成單個(gè)輸出頻率.XO通常用于異步應(yīng)用,如圖1所示.每個(gè)振蕩器提供本地參考以維護(hù)兩個(gè)獨(dú)立的時(shí)鐘域.系統(tǒng)操作要求XO頻率接近但不相同.該架構(gòu)非常適合突發(fā)模式流量應(yīng)用.連續(xù)通信需要比特或數(shù)據(jù)包填充和FIFO管理,以防止上溢/下溢情況.視頻處理設(shè)備和10/100/1000BaseT以太網(wǎng)是使用異步時(shí)鐘的應(yīng)用程序的示例.XO選擇應(yīng)基于最終應(yīng)用的頻率,抖動(dòng)和穩(wěn)定性要求.
圖1.異步時(shí)鐘示例
同步時(shí)鐘最常用于需要連續(xù)通信的應(yīng)用程序中.必須最小化網(wǎng)絡(luò)延遲和延遲的可變性.為實(shí)現(xiàn)此目的,包括SONET/SDH,同步以太網(wǎng)(SyncE),無線回程和視頻傳輸在內(nèi)的應(yīng)用要求源和目標(biāo)以相同的頻率運(yùn)行.在發(fā)送側(cè),為高速SerDes的發(fā)送路徑提供定時(shí)的時(shí)鐘被鎖定為高度精確的參考時(shí)鐘.主要和次要參考時(shí)鐘都是從集中定時(shí)源(例如GPS)提供的.PLL用于鎖定此背板參考,衰減時(shí)鐘信號上的抖動(dòng)以消除不需要的噪聲,并為PHY提供低抖動(dòng)輸出時(shí)鐘.在接收端,時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)(CDR)單元用于恢復(fù)系統(tǒng)時(shí)鐘.
根據(jù)應(yīng)用,該CDR可以是外部組件或集成在PHY內(nèi).Oscillator可用于使CDR居中以提供快速獲取和鎖定.恢復(fù)的時(shí)鐘通過另一個(gè)PLL,將時(shí)鐘頻率降低到較低的速率.本地定時(shí)可以與此時(shí)鐘同步,也可以與同步到集中定時(shí)源的另一個(gè)本地時(shí)鐘同步.與源的同步確保了網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步.根據(jù)系統(tǒng)要求,本應(yīng)用中使用的PLL可能需要低環(huán)路帶寬來濾除時(shí)鐘信號中不需要的抖動(dòng).
圖2.同步時(shí)鐘示例
圖3.ASIC中的部分集成PLL
另一種方法是使用抖動(dòng)衰減時(shí)鐘倍頻器IC,它集成了片內(nèi)PLL電路.時(shí)鐘倍頻器保持對參考時(shí)鐘的鎖定,濾除不需要的抖動(dòng),并為發(fā)送器生成倍頻輸出時(shí)鐘.在時(shí)鐘倍頻器IC選擇中必須特別小心,因?yàn)樗袝r(shí)鐘倍頻器都不相同.對于高速串行數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用,只有最高性能的時(shí)鐘倍頻器IC才能提供滿足最終應(yīng)用要求所需的抖動(dòng)性能.
關(guān)鍵規(guī)范是最大抖動(dòng)生成,而不是典型的抖動(dòng)生成.指定最大抖動(dòng)的時(shí)鐘倍頻器使硬件設(shè)計(jì)人員能夠在電路板中的數(shù)據(jù)路徑和定時(shí)組件之間分配抖動(dòng)預(yù)算,并確保在所有條件下都有足夠的余量.另外,檢查時(shí)鐘倍頻器IC上可用的環(huán)路帶寬選項(xiàng).如果需要參考時(shí)鐘的抖動(dòng)衰減,則環(huán)路帶寬通常必須為1kHz或更低.最后,確認(rèn)時(shí)鐘倍頻器IC支持所有必需的頻率規(guī)劃.Silicon晶振Si5319是一個(gè)提供抖動(dòng)衰減和任意速率頻率合成的頻率捷變時(shí)鐘倍頻器的例子.
最后,當(dāng)需要系統(tǒng)級時(shí)鐘功能時(shí),時(shí)鐘解決方案優(yōu)于離散解決方案.一個(gè)例子是輸入時(shí)鐘之間的無中斷切換,其中時(shí)鐘監(jiān)視主參考時(shí)鐘的質(zhì)量,并在檢測到主時(shí)鐘上的報(bào)警條件時(shí)切換到輔助參考.另一種流行的系統(tǒng)級時(shí)鐘要求是保持,其中時(shí)鐘在沒有有效參考時(shí)鐘的情況下繼續(xù)產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出時(shí)鐘.可以從多個(gè)供應(yīng)商處獲得滿足這些系統(tǒng)級要求的時(shí)鐘.
下表總結(jié)了何時(shí)應(yīng)使用XO,VCXO或時(shí)鐘解決方案.
| XO | VCXO | 時(shí)鐘 | |
| 主要功能 |
異步定時(shí) CDR參考時(shí)鐘 |
同步定時(shí) 時(shí)鐘倍增/抖動(dòng)衰減作為離散鎖相環(huán)的一部分 生成單輸出時(shí)鐘 |
同步定時(shí) 時(shí)鐘倍增 抖動(dòng)衰減 生成多路輸出時(shí)鐘 系統(tǒng)級功能(保持、無中斷切換) |
| 頻率 | 固定 | 調(diào)諧范圍內(nèi)的連續(xù)變化(典型值+/-100ppm) | 可通過?Pinterface重新配置以支持大量非頻率計(jì)劃 |
| 設(shè)計(jì)復(fù)雜性 | 低 | 高 | 低 |
| 綜合 | 高 | 低 | 高 |
| 抖動(dòng)濾波器 | 沒有 | 是(離散) | 是(綜合) |
| 使用時(shí)間 | 需要本地振蕩器 |
要求最低的相位噪聲/抖動(dòng)性能 集成在碳化硅/FPGA中的鎖相環(huán)電路 |
集成解決方案是首選 需要抖動(dòng)衰減和/或時(shí)鐘倍增 需要頻率靈活性 需要系統(tǒng)級功能 |
表1定時(shí)解決方案指南
遵循上面列出的準(zhǔn)則,為即將到來的設(shè)計(jì)選擇合適的時(shí)鐘或振蕩器可以大大簡化.硅實(shí)驗(yàn)室提供各種抖動(dòng)衰減時(shí)鐘乘法器、時(shí)鐘發(fā)生器、時(shí)鐘緩沖器、XO和壓控晶振,以滿足客戶獨(dú)特的時(shí)序要求.
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