電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道(文/程文智)不論我們?cè)O(shè)計(jì)的電子產(chǎn)品是應(yīng)用在云計(jì)算、無線LTE、數(shù)據(jù)中心,還是物聯(lián)網(wǎng)、汽車、醫(yī)療保健,或者是航空航天等領(lǐng)域,系統(tǒng)內(nèi)必然需要時(shí)鐘產(chǎn)品的支持,時(shí)鐘產(chǎn)品就如人類的脈搏一樣,只有在時(shí)鐘的支持下,電子產(chǎn)品才能正常工作。
那么時(shí)鐘產(chǎn)品有哪些種類,它們分別有什么特性,工程師在選用的時(shí)候需要注意些什么呢,我們今天就來一起聊一聊。
時(shí)鐘產(chǎn)品的分類
時(shí)鐘產(chǎn)品主要分為兩大類,一類是異步時(shí)鐘產(chǎn)品,它的功能是給本地單板提供工作時(shí)鐘,包括晶振、時(shí)鐘發(fā)生器,及時(shí)鐘緩沖器等等;另一類是同步時(shí)鐘產(chǎn)品,它的功能是跟蹤上下游時(shí)鐘產(chǎn)生同步之后的時(shí)鐘給下游使用,它主要包括濾抖芯片、同步以太網(wǎng)(SyncE)和IEEE1588時(shí)鐘產(chǎn)品等。
具體一點(diǎn)來分的話,工程師常用的時(shí)鐘產(chǎn)品主要是六個(gè)大類:
一是振蕩器,包括MEMS振蕩器和石英振蕩器,TCXO、MCXO、OCXO、EMXO、VCXO
、VCSO都是石英振蕩器。值得一提的是MEMS振蕩器和石英振蕩器是有本質(zhì)不同的。
二是時(shí)鐘生成器,主要是低抖動(dòng)、低功耗的時(shí)鐘發(fā)生器。
三是時(shí)鐘分配器,它實(shí)際上是時(shí)鐘緩沖器,包括低附加抖動(dòng)的各種各樣的緩沖器。詳細(xì)來看,有扇出緩沖器,零延時(shí)緩沖器,分頻器和多路開關(guān)等。
四是抖動(dòng)衰減產(chǎn)品,這類主要用在網(wǎng)絡(luò)里,或者是上下游,進(jìn)行時(shí)鐘濾抖的,比如抖動(dòng)濾波,時(shí)鐘轉(zhuǎn)換等。
五是時(shí)鐘同步產(chǎn)品,包括同步以太網(wǎng)時(shí)鐘芯片和IEEE1588的時(shí)鐘芯片。
六是其他簡(jiǎn)單的時(shí)鐘器件,包括555定時(shí)器,邏輯轉(zhuǎn)換器,交叉點(diǎn)開關(guān),觸發(fā)器/邏輯門等等。
接下來我們來看一看這些不同類型的時(shí)鐘產(chǎn)品都有哪些特點(diǎn),在選用不同類型的時(shí)鐘產(chǎn)品時(shí),有哪些注意事項(xiàng)。
晶體振蕩器和MEMS振蕩器
振蕩器產(chǎn)品分為兩類,一類是傳統(tǒng)的石英晶體振蕩器,第二大類是MEMS振蕩器。
對(duì)于傳統(tǒng)的石英晶體振蕩器,它們通常是屬于模塊,而不是傳統(tǒng)意義上基于硅的芯片,MEMS振蕩器則是傳統(tǒng)意義上的芯片。為什么這么說呢?
對(duì)于傳統(tǒng)的石英晶體振蕩器,通常有晶體、XO、VCXO、TCXO、OCXO等幾種。
對(duì)于晶體而言,雖然它內(nèi)部有振蕩電路,但是由于晶體是無源的,一般無法進(jìn)行獨(dú)立振蕩,用戶通常需要在外面加上合適的電阻和電容,構(gòu)成外部諧振電路,才能讓它產(chǎn)生用戶需要的頻率。
XO或時(shí)鐘振蕩器是最基礎(chǔ)的振蕩器,由晶體和基本驅(qū)動(dòng)電路組成,內(nèi)部不但集成了諧振電路,還集成了驅(qū)動(dòng)電路。因此,用戶只需要提供一個(gè)穩(wěn)定的電源,就能產(chǎn)生所需要的頻點(diǎn)。但是由于沒有任何形式的補(bǔ)償,頻率穩(wěn)定基本上是依靠晶體本身的特性。
VCXO,即壓控晶體振蕩器,它內(nèi)部有一個(gè)VC的壓控端,用戶可以通過調(diào)整VC壓控端的電壓,從而讓VCXO成為了一個(gè)頻率可以微調(diào)的時(shí)鐘輸出。也就是說,它可以依賴石英晶體的特性,通過施加外部電壓來控制振蕩器的輸出頻率變化。
TCXO,即溫補(bǔ)晶體振蕩器,通過附加的溫度補(bǔ)償電路來補(bǔ)償因環(huán)境溫度變化而引起的振蕩器頻率變化。它的內(nèi)部包含一個(gè)溫度補(bǔ)償電路,當(dāng)外部環(huán)境溫度變化的時(shí)候,溫度補(bǔ)償電路會(huì)去補(bǔ)償因?yàn)闇囟鹊淖兓斐傻木w頻率的偏差,從而產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的頻率輸出。
但是,對(duì)于一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合,TCXO仍然是不能滿足要求的,因此,另外一種產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生了,那就是OCXO。
OCXO,即恒溫晶體振蕩器,它內(nèi)部具有一個(gè)恒溫槽,恒溫槽會(huì)根據(jù)晶體不同的加工工藝,使恒溫槽保持在80~90℃的恒定范圍。也就是說諧振電路相當(dāng)于工作在空調(diào)房?jī)?nèi)一樣,從而保證了諧振電路輸出頻率的相對(duì)穩(wěn)定。
不論是無源的晶振還是有源的晶振,除了諧振電路之外,還需要一些輔助的電路,比如說溫度補(bǔ)償電路,恒溫槽的控制電路等等。
也就是說,此類產(chǎn)品中的諧振電路和輔助電路其實(shí)是放置在一個(gè)類似PCB的基板上,再與晶體封裝起來,形成了一個(gè)振蕩器產(chǎn)品。因此,對(duì)于傳統(tǒng)的石英晶體振蕩器來說,它是一個(gè)模塊,而不是一個(gè)基于硅片的IC。
對(duì)于MEMS振蕩器而言,是完全不一樣的,它是采用硅晶圓生產(chǎn)工藝制造,并通過電極產(chǎn)生靜電場(chǎng)來激勵(lì)諧振器。也就是說,它完全基于硅片,因此,MEMS振蕩器是一個(gè)IC產(chǎn)品。
正是因?yàn)檫@樣,石英晶體振蕩器與MEMS振蕩器之間是有一些差異的。由于MEMS振蕩器是基于硅的芯片,因此,它在抗振動(dòng)、抗沖擊、失效率、封裝和交貨時(shí)間,以及靈活性上,是遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于石英晶體振蕩器的。
圖1:MEMS振蕩器和晶體振蕩器的對(duì)比(來源:Microchip)
但是,對(duì)于一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合,比如頻率穩(wěn)定度要求很高的場(chǎng)合,OCXO的頻率穩(wěn)定度要更高。因此,一些特殊應(yīng)用場(chǎng)合仍然會(huì)使用石英晶體振蕩器。
當(dāng)然,隨著技術(shù)的進(jìn)步,MEMS振蕩器的頻率穩(wěn)定度也在逐漸提升當(dāng)中,業(yè)內(nèi)目前有廠商可以提供與TCXO穩(wěn)定度相當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品。
圖2:振蕩器的比較(來源:Microchip)
振蕩器產(chǎn)品有MEMS振蕩器、石英晶體振蕩器,以及原子鐘振蕩器。這一系列振蕩器產(chǎn)品中,他們的性能是完全不一樣的,比如說溫度穩(wěn)定性、老化率、24小時(shí)保持性能、相位噪聲性能等等,都是不一樣的。此外,功率和成本也完全不同。
工程師可以根據(jù)自己的實(shí)際情況去選擇合適的振蕩器產(chǎn)品,不管是哪種產(chǎn)品,那么通常需要關(guān)注哪些常見的參數(shù)呢?
一般來說,工程師在選擇振蕩器產(chǎn)品的時(shí)候,需要關(guān)注頻率穩(wěn)定性、初始容差、老化率、抖動(dòng)、相位噪聲和保持性能等等。當(dāng)然,對(duì)于一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合,和一些特殊的振蕩器產(chǎn)品,還有一些特殊的參數(shù)需要去關(guān)注。
接下來,我們看一個(gè)OCXO的典型應(yīng)用場(chǎng)景。
圖3:典型的OCXO應(yīng)用場(chǎng)景(來源:Microchip)
圖3是OCXO在無線產(chǎn)品中的典型應(yīng)用場(chǎng)景。OCXO在外部控制器和其他電路的配合下,形成了一個(gè)閉環(huán)的模擬鎖相環(huán)(APLL),該APLL可以鎖定GPS提供的1pps的信號(hào)輸入,產(chǎn)生1pps的信號(hào)輸出和一個(gè)10MHz頻率的時(shí)鐘輸出,系統(tǒng)可以根據(jù)1pps的信號(hào)輸出和10MHz時(shí)鐘輸出做各種各樣的數(shù)據(jù)和信號(hào)處理。
時(shí)鐘發(fā)生器
時(shí)鐘發(fā)生器也可以稱為頻率合成器,一般來說需要外加晶體或振蕩器做為參考。時(shí)鐘發(fā)生器的主要功能是實(shí)現(xiàn)頻率變換,可以對(duì)參考源晶體或振蕩器頻率進(jìn)行倍頻或降頻,從而產(chǎn)生1路或多路輸出。
在時(shí)鐘發(fā)生器的內(nèi)部,實(shí)際上是一個(gè)模擬鎖相環(huán)(APLL),該APLL可以鎖定來自外部的參考時(shí)鐘,這個(gè)參考時(shí)鐘可以是上游提供的參考時(shí)鐘,也可以是振蕩器提供的參考時(shí)鐘。APLL可以把時(shí)鐘參考時(shí)鐘倍頻到高頻,比如將25MHz的信號(hào)倍頻到4GHz,然后基于4GHz再做分頻,從而產(chǎn)生各種各樣的頻率。
其實(shí)除了上面提到的APLL,還有數(shù)字鎖相環(huán)(DPLL),這兩者有何差異呢?對(duì)于APLL而言,固有抖動(dòng)非常好,但它有自己的缺點(diǎn),比如不夠靈活、帶寬不能做得很低、沒有辦法提供各種各樣的保持功能。
DPLL跟APLL恰好相反,它的固有抖動(dòng)比較差,但是它非常靈活、帶寬可以做得很低、能提供非常優(yōu)秀的基于算法的保持功能。
但其實(shí),不論是APLL,還是DPLL,他們都兩個(gè)共同點(diǎn),一是他們都是低通濾波器;二是他們都是閉環(huán)的負(fù)反饋系統(tǒng)。
復(fù)雜的系統(tǒng)中通常有多路時(shí)鐘域,每個(gè)時(shí)鐘由獨(dú)立的晶體或振蕩器產(chǎn)生。相比之下,時(shí)鐘發(fā)生器具備諸多優(yōu)勢(shì):高度集成、可代替多個(gè)晶體或振蕩器、占用電路板的空間少,以及可靠性高等。
那么,在選擇時(shí)鐘發(fā)生器時(shí),需要考慮哪些參數(shù)呢?一般來說,主要考慮的參數(shù)有:輸出時(shí)鐘可以支持的頻率范圍、輸出時(shí)鐘可以支持的時(shí)鐘域、輸出時(shí)鐘可以支持的路數(shù)、抖動(dòng)/相位噪聲等。
此外,還可根據(jù)需求考慮其他一些參數(shù),比如輸出電平可以支持的類型、是否支持SSC擴(kuò)頻時(shí)鐘、是否支持相位調(diào)節(jié)、是否需要零延時(shí)功能、是否支持默認(rèn)加載配置等。
圖4:Microchip的ZL30267的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
拿Microchip的ZL30267時(shí)鐘發(fā)生器來說,它內(nèi)部有兩個(gè)APLL,它們同時(shí)鎖定到了同一個(gè)XO,然后產(chǎn)生了以太網(wǎng)絡(luò)需要的156.25MHz時(shí)鐘;PCIe系統(tǒng)所需要的100MHz時(shí)鐘;以及USB系統(tǒng)需要的48MHz時(shí)鐘。也就是說,通過這樣的時(shí)鐘發(fā)生器,可以產(chǎn)生各種各樣的頻點(diǎn),給單板做工作時(shí)鐘。
時(shí)鐘緩沖器
當(dāng)系統(tǒng)中需要多路時(shí)鐘信號(hào)時(shí),最有效的產(chǎn)生方法是使用時(shí)鐘緩沖器。而時(shí)鐘緩沖器實(shí)際上是一個(gè)比較簡(jiǎn)單的器件,本質(zhì)上來說,它實(shí)現(xiàn)了時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng),比如說前面有一個(gè)時(shí)鐘進(jìn)來,可以通過時(shí)鐘緩沖器,實(shí)現(xiàn)多個(gè)相同頻段的輸出。
在選用時(shí)鐘緩沖器時(shí),工程師除了關(guān)注輸入輸出,以及輸出頻率等常規(guī)參數(shù)之外,尤其要注意另外一個(gè)參數(shù)是附加抖動(dòng)RMS。為什么關(guān)注該參數(shù)呢?因?yàn)閷?duì)于時(shí)鐘緩沖器產(chǎn)品,是會(huì)劣化時(shí)鐘的,也就是說,一個(gè)好的,低抖動(dòng)的時(shí)鐘輸入進(jìn)來,經(jīng)過時(shí)鐘緩沖器之后,時(shí)鐘的抖動(dòng)會(huì)變大。那么,抖動(dòng)變大之后的時(shí)鐘是否滿足應(yīng)用的要求,這一點(diǎn)工程師需要多多關(guān)注一下。
圖5:選擇不同時(shí)鐘緩沖器類型時(shí)需要考慮的參數(shù)
濾抖芯片
濾抖芯片,顧名思義就是濾除抖動(dòng),既然可以濾除抖動(dòng),那么芯片內(nèi)部必然是一個(gè)低通的濾波器,濾抖芯片通常會(huì)有兩種架構(gòu)類型,第一種是基于模擬鎖相環(huán)的濾抖芯片,由于模擬鎖相環(huán)的帶寬不能做到非常低,因此基于模擬鎖相環(huán)的濾抖芯片不能實(shí)現(xiàn)非常好的濾抖效果。
另一種是基于數(shù)字鎖相環(huán)加上模擬鎖相環(huán)的濾抖芯片,這種芯片把DPLL和APLL的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起。
圖6:ZL30169內(nèi)部架構(gòu)
比如Microchip的ZL30169,其內(nèi)部就是基于DPLL和APLL架構(gòu)的濾抖芯片。它前面是輸入的參考時(shí)鐘,后面是參考時(shí)鐘的監(jiān)視器、DPLL模塊、APLL模塊,分頻器模塊,輸出的驅(qū)動(dòng)電路等。根據(jù)其內(nèi)部框圖,可以看出,除了模塊之外,對(duì)于內(nèi)部有DPLL模塊的鎖相環(huán)而言,通常還需要外部提供一個(gè)工作時(shí)鐘,該工作時(shí)鐘在給DPLL提供工作時(shí)鐘的同時(shí),還會(huì)用這個(gè)工作時(shí)鐘來監(jiān)控輸入?yún)⒖荚吹淖兓?br />
同步以太網(wǎng)和IEEE1588時(shí)鐘產(chǎn)品
同步以太網(wǎng)和IEEE 1588時(shí)鐘產(chǎn)品內(nèi)部基本上采用了DPLL+APLL的架構(gòu)。為什么采用這類架構(gòu)呢,因?yàn)檫@樣可以利用APLL抖動(dòng)性能好,DPLL比較靈活的特點(diǎn)。
同步以太網(wǎng)和IEEE1588時(shí)鐘產(chǎn)品通常要滿足復(fù)雜的協(xié)議,比如物理層的7.813,7.862協(xié)議等。對(duì)于DPLL而言,它內(nèi)部是可編程的,因此,我們可以在DPLL上面處理各自的算法,這個(gè)算法就可以保證滿足同步以太網(wǎng)和1588的相關(guān)協(xié)議。
圖7:時(shí)鐘同步類型
一般來說,時(shí)鐘的同步有三種類型:頻率同步、相位同步,以及時(shí)間同步。它們之間是不一樣的。
對(duì)于頻率同步,他們之間的相差是固定的,但是沿是無法對(duì)齊的;對(duì)于相位同步,相差是固定的,沿也是對(duì)齊的,但每一個(gè)沿產(chǎn)生的時(shí)刻可能是不一樣的;而時(shí)間同步,每一個(gè)沿產(chǎn)生的時(shí)刻是一樣的,因此我們稱之為時(shí)間同步。
拿電信網(wǎng)絡(luò)來說,整個(gè)的電信網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘頻率精度必須完全相同,才能完成相互通信;而電信網(wǎng)絡(luò)實(shí)際上是逐級(jí)逐跳傳遞同步信號(hào)的。具體來說,電信網(wǎng)絡(luò)最開始的高精度時(shí)鐘信號(hào)由原子時(shí)鐘產(chǎn)生,一般原子時(shí)鐘會(huì)作為第一跳的設(shè)備,第一級(jí)的設(shè)備會(huì)把同步信號(hào)傳遞到第二級(jí),第二級(jí)會(huì)把同步信號(hào)傳遞給第三級(jí)、第四級(jí)等等。
逐級(jí)逐跳傳遞過程中,通過什么來實(shí)現(xiàn)的呢,其實(shí)就是通過同步以太網(wǎng)和IEEE1588來實(shí)現(xiàn)的。
圖8:同步以太網(wǎng)時(shí)鐘的應(yīng)用。
具體來看一下同步以太網(wǎng)時(shí)鐘在具體設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)中,是如何傳遞的,首先上游同步以太網(wǎng)會(huì)給PHY一個(gè)參考的工作時(shí)鐘,PHY收到時(shí)鐘后,會(huì)基于這個(gè)時(shí)鐘,把數(shù)據(jù)傳遞給下一級(jí),在接收端,接收端會(huì)把時(shí)鐘和數(shù)據(jù)解出來,提取出來的時(shí)鐘,會(huì)再給鎖相環(huán)芯片,鎖相環(huán)芯片鎖定這個(gè)時(shí)鐘,產(chǎn)生一個(gè)新的時(shí)鐘,給PHY的SerDes,它再基于這個(gè)時(shí)鐘,把數(shù)據(jù)傳遞出去,從而實(shí)現(xiàn)了物理層的逐級(jí)逐跳的時(shí)鐘傳遞的過程。
設(shè)備的內(nèi)部的同步是怎么樣來傳遞的?電信系統(tǒng)一般是多卡系統(tǒng),主備2個(gè)時(shí)鐘卡和多個(gè)線路卡,輸入同步信號(hào)從PHY接收器恢復(fù)傳輸?shù)綍r(shí)鐘卡系統(tǒng)時(shí)鐘,再由時(shí)鐘卡處理后分發(fā)信號(hào)傳輸?shù)剿芯€路卡PHY發(fā)送器。
時(shí)鐘卡和線路卡上都會(huì)放置鎖相環(huán)芯片,但是它們實(shí)現(xiàn)的功能是不一樣的,時(shí)鐘卡上的鎖相環(huán)可以濾除時(shí)序干擾(漂移),并在外部時(shí)序源暫時(shí)丟失時(shí)提供保持功能,以及滿足各種各樣的復(fù)雜協(xié)議;線路卡上的鎖相環(huán)芯片可以濾除抖動(dòng)和轉(zhuǎn)換時(shí)鐘頻率。
圖9:IEEE1588的應(yīng)用
IEEE1588的傳遞跟同步以太網(wǎng)的傳遞有點(diǎn)不一樣。它是把時(shí)間信號(hào)放在報(bào)文內(nèi)。逐級(jí)逐跳往下傳遞的。對(duì)數(shù)字鎖相環(huán),或者模擬鎖相環(huán)而言,它是一個(gè)低通濾波器,同時(shí)也是一個(gè)閉環(huán)的負(fù)反饋系統(tǒng),對(duì)于IEEE1588而言,它也是是一個(gè)閉環(huán)的負(fù)反饋系統(tǒng)。但是它的反饋不在芯片內(nèi)部,而在于板級(jí),或者系統(tǒng)上。
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