時(shí)鐘樹(shù)設(shè)計(jì)師的 5 個(gè)問(wèn)題

與設(shè)計(jì)的其余部分相比，時(shí)序部分經(jīng)常被忽視

時(shí)鐘和振蕩器運(yùn)行您的組件并確保一切都在系統(tǒng)地運(yùn)行。盡管時(shí)序部件很常見(jiàn)且很重要，但與設(shè)計(jì)的其余部分相比，它們常常被忽視。在設(shè)計(jì)時(shí)鐘樹(shù)時(shí)，在選擇最佳時(shí)序解決方案時(shí)要考慮幾個(gè)因素。我們將根據(jù)您的應(yīng)用程序的形式和功能，了解選擇時(shí)鐘的五個(gè)常見(jiàn)注意事項(xiàng)。

1. 是同步設(shè)計(jì)還是自由運(yùn)行設(shè)計(jì)？

自由運(yùn)行的應(yīng)用程序需要獨(dú)立的時(shí)鐘，沒(méi)有任何特殊的鎖相或同步要求。示例包括標(biāo)準(zhǔn)處理器、內(nèi)存控制器、片上系統(tǒng) (SoC) 和外圍組件（例如 USB、PCI Express 開(kāi)關(guān)）。

同步系統(tǒng)需要跨所有相關(guān)系統(tǒng)的連續(xù)通信和網(wǎng)絡(luò)級(jí)同步。在這些應(yīng)用中，基于低帶寬鎖相環(huán) (PLL) 的時(shí)鐘提供抖動(dòng)濾波以確保維持網(wǎng)絡(luò)級(jí)同步。例如，將所有序列化-反序列化 (SerDes) 參考時(shí)鐘與高精度網(wǎng)絡(luò)參考時(shí)鐘（例如 Stratum 3 或 GPS）同步可確保所有系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)之間的同步。同步時(shí)鐘樹(shù)的示例包括光傳輸網(wǎng)絡(luò) (OTN)、同步光網(wǎng)絡(luò)和同步數(shù)字體系 (SONET/SDH)、移動(dòng)回程、同步以太網(wǎng)和高清串行數(shù)字接口 (HD SDI) 視頻傳輸。

考慮事項(xiàng)：您將使用的時(shí)鐘類型取決于時(shí)序架構(gòu)是自由運(yùn)行還是同步。如果架構(gòu)是自由運(yùn)行的，則應(yīng)使用時(shí)鐘發(fā)生器。相反，同步設(shè)計(jì)需要抖動(dòng)衰減時(shí)鐘。盡管同步系統(tǒng)不需要具有相同的頻率，但它們需要具有相同的相位。

2. 你需要什么時(shí)鐘頻率？

當(dāng)需要多個(gè)參考頻率時(shí)，時(shí)鐘發(fā)生器和時(shí)鐘緩沖器很有用，并且目標(biāo) IC 都在同一塊電路板上，或者位于同一 IC 或現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列 (FPGA) 中。

時(shí)鐘發(fā)生器面臨的挑戰(zhàn)是系統(tǒng)布局。將晶體放置在其目標(biāo) IC 附近既簡(jiǎn)單又便宜。另一方面，盡管能夠降低成本，但將時(shí)鐘信號(hào)從時(shí)鐘發(fā)生器路由到其目標(biāo) IC 可能具有挑戰(zhàn)性。實(shí)施仔細(xì)的設(shè)計(jì)和其他技術(shù)可以確保集中式時(shí)鐘源提供相同的性能。通常，如果需要四個(gè)或更多時(shí)鐘，設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)使用時(shí)鐘發(fā)生器來(lái)節(jié)省資金。

考慮事項(xiàng)：在考慮時(shí)鐘發(fā)生器時(shí)，一定要選擇能夠輸出與您的設(shè)計(jì)兼容的頻率的發(fā)生器。Silicon Labs 的時(shí)鐘發(fā)生器可以使用其ClockBuilder Pro 軟件進(jìn)行編程，以滿足特定的頻率、輸出和格式要求?？蛻艨梢远ㄖ乒S編程的時(shí)鐘發(fā)生器樣品，通常需要兩周的交貨時(shí)間。

3.每個(gè)頻率需要多少個(gè)？

時(shí)鐘緩沖器分配輸入/參考時(shí)鐘的多個(gè)副本或簡(jiǎn)單派生。

參考時(shí)鐘可以來(lái)自時(shí)鐘發(fā)生器、XO 或系統(tǒng)時(shí)鐘。時(shí)鐘緩沖器將其輸入時(shí)鐘從兩個(gè)輸出擴(kuò)展到 10 個(gè)以上。它們可以包括 I 2 C、SPI 或引腳控制功能，例如信號(hào)電平和格式轉(zhuǎn)換、電壓電平轉(zhuǎn)換、多路復(fù)用和輸入分頻。這些功能通過(guò)消除組件、分壓器和信號(hào)電平轉(zhuǎn)換電路來(lái)節(jié)省空間和成本。

考慮事項(xiàng)：參考 Silicon Lab 的時(shí)序產(chǎn)品選擇器指南，選擇與您設(shè)計(jì)的輸出數(shù)量（或更多）、輸出格式和抖動(dòng)要求相匹配的緩沖器。

4. 每個(gè)時(shí)鐘需要什么樣的抖動(dòng)性能？

抖動(dòng)性能在各種條件下各不相同，包括：

設(shè)備配置

操作頻率

信號(hào)格式

輸入時(shí)鐘轉(zhuǎn)換率和抖動(dòng)

電源和電源噪聲

抖動(dòng)定義為時(shí)域中與理想?yún)⒖紩r(shí)鐘的時(shí)間偏差，是時(shí)序組件的關(guān)鍵規(guī)格。如果不加以解決，過(guò)多的時(shí)鐘抖動(dòng)會(huì)損害系統(tǒng)性能。對(duì)于 IC，抖動(dòng)規(guī)格將作為時(shí)域測(cè)量給出，或者在高性能應(yīng)用中更常見(jiàn)的是，作為 RMS 相位抖動(dòng)中的頻域測(cè)量給出。

考慮事項(xiàng)：應(yīng)估計(jì)總時(shí)鐘樹(shù)抖動(dòng)，以確定在采用時(shí)鐘樹(shù)之前是否有足夠的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)余量。如果抖動(dòng)太高或指定不當(dāng)，時(shí)鐘性能較差的組件可能會(huì)危及整個(gè)系統(tǒng)。重要的是要注意時(shí)鐘樹(shù)的抖動(dòng)不僅僅是每個(gè)組件的 MAX 規(guī)格的總和；它是每個(gè)設(shè)備的 MAX RMS 抖動(dòng)的平方和的根。

參考 Silicon Labs 的相位噪聲抖動(dòng)計(jì)算器工具，輕松識(shí)別滿足抖動(dòng)要求的時(shí)鐘和振蕩器。

5. 每個(gè)時(shí)鐘需要什么樣的信號(hào)格式級(jí)別？

時(shí)鐘和緩沖器有多種不同的格式，包括：

扇出：定義單個(gè)邏輯門(mén)的輸出可以饋送的最大數(shù)字輸入數(shù)的術(shù)語(yǔ)。大多數(shù)晶體管-晶體管邏輯 (TTL) 門(mén)最多可以為 10 個(gè)其他數(shù)字門(mén)或設(shè)備供電。因此，典型的 TTL 門(mén)的扇出值為 10。

低壓正發(fā)射極耦合邏輯 (LVPECL)：正發(fā)射極耦合邏輯 (PECL) 的功率優(yōu)化版本使用 3.3V 正電源。

低壓差分信號(hào) (LVDS)：不僅是物理層規(guī)范，而且是通信標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用程序經(jīng)常添加的數(shù)據(jù)鏈路層。

電流模式邏輯 (CML)：在標(biāo)準(zhǔn)電路板上以 312.5Mbit/s 和 3.125Gbit/s 之間的速度傳輸數(shù)據(jù)。

高速電流控制邏輯 (HCSL)：具有兩個(gè)可在 0 和 14mA 之間切換的輸出引腳的差分邏輯。

低壓互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (LVCMOS)：LVCMOS的目標(biāo)是縮小集成電路的器件幾何尺寸，從而降低工作電壓。

考慮事項(xiàng)：使用符合您的設(shè)計(jì)和相關(guān)要求的格式。上述每個(gè)時(shí)序部件都有許多不同的格式以支持各種設(shè)計(jì)類型。

Silicon Labs 時(shí)序解決方案

作為高性能時(shí)鐘和振蕩器的領(lǐng)導(dǎo)者，Silicon Labs 的計(jì)時(shí)解決方案提供業(yè)內(nèi)最廣泛的晶體振蕩器、時(shí)鐘發(fā)生器、時(shí)鐘緩沖器和抖動(dòng)衰減器系列產(chǎn)品組合（圖 1）。此外，Silicon Labs 為時(shí)鐘提供最大的頻率靈活性以及業(yè)界最低的抖動(dòng)。在購(gòu)買(mǎi)時(shí)鐘之前，一定要問(wèn)自己這里列出的五個(gè)問(wèn)題，以幫助縮小支持您設(shè)計(jì)的最佳選擇范圍。

圖 1：Silicon Labs 計(jì)時(shí)解決方案組合結(jié)合了頻率靈活性和一流的抖動(dòng)性能。（來(lái)源：對(duì)稱電子）

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