高性能時(shí)鐘產(chǎn)品趨勢(shì)漫談

王　瑩

摘要：當(dāng)前，時(shí)鐘產(chǎn)品的推出速度越來(lái)越快，時(shí)鐘需要滿足的標(biāo)準(zhǔn)也在不斷發(fā)展，時(shí)鐘需要更高的性能、更高的精度，系統(tǒng)尺寸也需要越來(lái)越小，在存儲(chǔ)、通信與網(wǎng)絡(luò)、上網(wǎng)本、開關(guān)穩(wěn)壓器的相位同步、FPGA等方面的應(yīng)用成為熱門。

關(guān)鍵詞：時(shí)鐘；計(jì)時(shí)；抖動(dòng)；EMI削減；可編程

鐘表就像電子系統(tǒng)中跳動(dòng)的心臟。隨著通信和網(wǎng)絡(luò)、企業(yè)服務(wù)器和存儲(chǔ)設(shè)備、消費(fèi)電子、醫(yī)療電子、汽車設(shè)備、辦公及家庭解決方案的興起，系統(tǒng)計(jì)時(shí)便成為一個(gè)重要的話題。近日，《電子產(chǎn)品世界》采訪了部分頂尖時(shí)鐘產(chǎn)品廠商，請(qǐng)他們介紹了時(shí)鐘產(chǎn)品的趨勢(shì)。

時(shí)鐘面臨的挑戰(zhàn)

首先，新產(chǎn)品推介的速度越來(lái)越快。Cypress時(shí)序解決方案業(yè)務(wù)部高級(jí)主管Sudhir Gopalswamy說(shuō)：“在各種應(yīng)用領(lǐng)域里面，我們可以看到整個(gè)新產(chǎn)品向市場(chǎng)推廣的進(jìn)度變得越來(lái)越快?！币灾袊?guó)的兩個(gè)蓬勃發(fā)展的應(yīng)用產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，數(shù)字電視產(chǎn)業(yè)以前可能需要兩年的時(shí)間，現(xiàn)在縮短到不到六個(gè)月；同樣，通信領(lǐng)域的系統(tǒng)設(shè)備的整體推出時(shí)間也大大縮短。

其次，標(biāo)準(zhǔn)在發(fā)展。SiliconLaboratories時(shí)序產(chǎn)品高級(jí)產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理James Wilson指出，隨著硬件設(shè)計(jì)在互聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線／射頻傳輸、廣播視頻、測(cè)試測(cè)量等高性能應(yīng)用中變得越來(lái)越復(fù)雜，硬件設(shè)計(jì)人員在一項(xiàng)單一的硬件設(shè)計(jì)中，做到支持越來(lái)越多的標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議和規(guī)格。例如正在設(shè)計(jì)中的最新互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，不僅需要支持同步光纖網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)、同步數(shù)字系列標(biāo)準(zhǔn)和以太網(wǎng)，還需要支持高清晰度視頻傳輸。下一代無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)備正在設(shè)計(jì)當(dāng)中，需要同時(shí)支持寬帶無(wú)線接入技術(shù)和長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)。因此，“對(duì)于我們的客戶來(lái)說(shuō)，在不降低性能或成本的情況下，設(shè)計(jì)出最有效率的時(shí)序產(chǎn)品是一個(gè)重大的挑戰(zhàn)。”

高性能的需求。安森美半導(dǎo)體數(shù)字及混合信號(hào)產(chǎn)品部策劃市場(chǎng)經(jīng)理白國(guó)能說(shuō)，隨著電子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)率越來(lái)越高，高速數(shù)字信號(hào)的質(zhì)量與輸入時(shí)鐘緊密相關(guān)，故需要高性能時(shí)鐘。高性能及高精度時(shí)鐘最講究頻率抖動(dòng)性能，其次就是需要顧及溫度穩(wěn)定性和功耗問(wèn)題。

高精度。Gartner公司首席研究分析師Sergis Mushell指出：“在通信和數(shù)據(jù)處理應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)高性能時(shí)序Ic日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求的關(guān)鍵在于對(duì)于更高精度的需求?？删幊虝r(shí)鐘為工程師提供了高度的設(shè)計(jì)靈活性，能充分滿足通信和數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域內(nèi)多種應(yīng)用的要求。”為此，Cypress于今年6月16日推出了可編程系列—FleXO，它可即時(shí)生成從50到650MHz之間的任意頻率，其中包括通常用來(lái)優(yōu)化FPGA或ASIC性能的非標(biāo)準(zhǔn)頻率。設(shè)計(jì)人員能通過(guò)簡(jiǎn)單的引腳選擇或12C編程來(lái)調(diào)節(jié)FleXO時(shí)鐘的輸出頻率，以便在整個(gè)硬件平臺(tái)系列上使用單一器件。FleXO時(shí)鐘發(fā)生器還支持頻率容限功能，這樣設(shè)計(jì)人員就能以0.2ppm的精度調(diào)節(jié)時(shí)鐘頻率，從而測(cè)試系統(tǒng)在各種潛在頻率波動(dòng)情況下的穩(wěn)健性。

系統(tǒng)尺寸需求越來(lái)越小。主要滿足便攜式產(chǎn)品的需求。今年7月17日，Intersil發(fā)布小而薄的實(shí)時(shí)時(shí)鐘器件—ISLl2057／8／9，定位低電壓和便攜式應(yīng)用，號(hào)稱比普通產(chǎn)品方案小73％，厚度小45％，簡(jiǎn)化了電表、多功能打印機(jī)、數(shù)碼相框和許多其他設(shè)備的設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)成本降低。

高性能時(shí)鐘的發(fā)展趨勢(shì)

Cypress的Sudhir總結(jié)高性能時(shí)鐘的主要特點(diǎn)如下。

·性能：高頻、低抖動(dòng)、低相位噪聲。

·可編程性：可根據(jù)客戶不同的需求，快速修改設(shè)計(jì)，在很短的時(shí)間內(nèi)幫助實(shí)現(xiàn)客戶需求。例如Cypress的FleXO時(shí)鐘發(fā)生器采用了可編程鎖相環(huán)(pLL)技術(shù)，相對(duì)于昂貴且不靈活的SAW(表面聲波濾波器)振蕩器和泛音晶體振蕩器而言，不失為一種良好的替代方案。

·EMI削減：可以幫助降低EMI。

·系統(tǒng)成本降低：主要通過(guò)提高集成度，可以把整個(gè)系統(tǒng)里面的元器件個(gè)數(shù)降低，進(jìn)而把整個(gè)系統(tǒng)的成本降低。

·廣闊的產(chǎn)品組合：即產(chǎn)品系列非常全，某類設(shè)計(jì)里需要用到的時(shí)鐘產(chǎn)品盡可能在一家公司里全部找到。

·廣闊的標(biāo)準(zhǔn)配置，可以為客戶提供多種配置，例如可用于晶體外置(合成器和VCO型)，也可以晶體內(nèi)置(xO，VCXO或支持頻率容限功能的XO型)。

SiTime市場(chǎng)行銷副總裁PiyushSevaiia則指出了具體指標(biāo)：

·高頻(>100MHz)；

·計(jì)時(shí)抖動(dòng)非常小，<2psRMS(均方根)相位抖動(dòng)；

·差分信號(hào)—LVDS，LVPECL，HCSL；

·在不影響性能的情況下，支持采用低電壓(1.8V)實(shí)現(xiàn)低功耗；

·可編程實(shí)現(xiàn)定制各種頻率，從而實(shí)現(xiàn)性能的最優(yōu)化。例如，雖然10千兆位以太網(wǎng)要求采用156.25 MHz的頻率，但在某些應(yīng)用中，為了提高性能和減小位錯(cuò)，經(jīng)常用到的是156.25391 MHz的時(shí)鐘。

熱門應(yīng)用

據(jù)SiTime介紹，目前，許多應(yīng)用都需要性能非常高的時(shí)鐘，這些時(shí)鐘要具有高的頻率、良好的穩(wěn)定性和超低的計(jì)時(shí)抖動(dòng)，其中包括如下方面。

·存儲(chǔ)應(yīng)用：

工作頻率為15OMHz的SATA時(shí)鐘：

工作頻率為106.25 MHz或212.5MHz光纖通信時(shí)鐘；

250 MHz或s00 MHz USB接口；

98.304 MHz Hrewire高速數(shù)據(jù)傳輸接口。

·以太網(wǎng)應(yīng)用：

125 MHz千兆位以太網(wǎng)：

156.25 MHz或312.5 MHz 10千兆位以太網(wǎng)。

·頻率要求為155.52 MHz的各種無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(PON)應(yīng)用。

其他受訪廠家則詳細(xì)介紹了通信和網(wǎng)絡(luò)、電源、上網(wǎng)本和FPGA或ASIC應(yīng)用。

1，通信和網(wǎng)絡(luò)

ADI高級(jí)產(chǎn)品經(jīng)理Jeff Keip說(shuō)，通信基礎(chǔ)設(shè)施市場(chǎng)對(duì)時(shí)鐘性能的要求特別高，而網(wǎng)絡(luò)終端市場(chǎng)的性能需求也在向同一水平靠攏。這兩個(gè)市場(chǎng)還對(duì)保持和冗余參考支持等特性青睞有加，以便最大限度地提高系統(tǒng)的正常運(yùn)行時(shí)間。因此，極低的抖動(dòng)和相位噪聲是關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，抖動(dòng)超過(guò)指定帶寬(例如12kHz-20MHz，S0kHz～80MHz)，而對(duì)于基站，客戶所關(guān)注的是非常寬的帶外噪聲／抖動(dòng)性能。在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，保持和切換等特性是將系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間保持在最低限度所必需的。在無(wú)線通信中，這些特性也有用，盡管不是最關(guān)鍵的。

Maxim時(shí)鐘產(chǎn)品線總監(jiān)IchiroYamada具體介紹了無(wú)線基站中的應(yīng)用：用于同步通信系統(tǒng)、無(wú)線基站、SONET／SDH、路由器的低噪聲、高頻時(shí)鐘是近期市場(chǎng)的應(yīng)用熱點(diǎn)。中國(guó)和印度都在積極推進(jìn)2G、3G手機(jī)基站和用于站間通信的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線鏈路，

雖然許多廠商已經(jīng)瞄準(zhǔn)LTE和WiMax市場(chǎng)，但GSM仍然保持其主流地位。

無(wú)線基站是同步系統(tǒng)，需要抖動(dòng)抑制功能以便為終端電路提供穩(wěn)定的時(shí)鐘?；鶐卧c射頻單元之間的串行通信要求抖動(dòng)低于1ps的時(shí)鐘，此外，射頻單元還需要穩(wěn)定的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)高速ADC和DAC，基于電流LCVCO(Lc壓控振蕩器)的PLL時(shí)鐘具有穩(wěn)定的時(shí)域特性(低抖動(dòng))，當(dāng)然，為了改善頻域的噪聲(SSB相位噪聲)指標(biāo)還需要相應(yīng)的改進(jìn)措施。

同步以太網(wǎng)(syncE)在基站中的應(yīng)用非常普遍，無(wú)線基站網(wǎng)絡(luò)采用傳統(tǒng)的T1／E1。為了降低運(yùn)行成本，運(yùn)營(yíng)商正在將TDM網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)移到包交換網(wǎng)絡(luò)?？紤]到無(wú)線基站系統(tǒng)是一個(gè)同步通信系統(tǒng)，需要對(duì)IP數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行同步。IEEEl588是支持IP同步的標(biāo)準(zhǔn)之一。對(duì)于SyncE時(shí)鐘設(shè)備，抖動(dòng)抑制、時(shí)鐘保持、無(wú)縫切換參考時(shí)鐘、頻率轉(zhuǎn)換等都是設(shè)計(jì)中需要特別關(guān)注的因素。

這些熱點(diǎn)應(yīng)用對(duì)時(shí)鐘提出了許多特定的技術(shù)要求。例如，無(wú)線RF應(yīng)用中，相位噪聲是最重要的指標(biāo)之一，晶體振蕩器能夠滿足這一指標(biāo)要求，但許多開發(fā)商已經(jīng)開始采用高Q值LCVCO和SAW技術(shù)。高度穩(wěn)定的低頻VCXO+PLL(壓控晶振+鎖相環(huán))倍頻對(duì)于SyncE線卡是一個(gè)經(jīng)濟(jì)實(shí)用的選擇，非常適合背板時(shí)鐘、PHY時(shí)鐘轉(zhuǎn)換、從背板時(shí)鐘產(chǎn)生PHY考時(shí)鐘等應(yīng)用。

這類應(yīng)用中需要謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)VCX0保持盡可能低的頻率溫漂，并使PLL倍頻時(shí)鐘的抖動(dòng)低于1psRMS。另外，高速串行通信鏈路還要求時(shí)鐘發(fā)生器具有較高的電源噪聲抑制比。電源、高速開關(guān)器件(ASIC、FPGA、存儲(chǔ)器等)的噪聲會(huì)注入到PLL，影響抖動(dòng)指標(biāo)，因此，較高的電源噪聲抑制比是PLL時(shí)鐘發(fā)生器設(shè)計(jì)所面臨的另一挑戰(zhàn)。

2，上網(wǎng)本的計(jì)時(shí)

目前在中國(guó)，時(shí)鐘的一個(gè)熱點(diǎn)是上網(wǎng)本?！坝捎谏暇W(wǎng)本基于傳統(tǒng)的PC芯片組(Intel和AMD)，以及一些移動(dòng)處理器芯片(Freescale)，與這些供應(yīng)商的關(guān)系的關(guān)鍵是了解上網(wǎng)本的必要條件?！盜DT中國(guó)區(qū)總經(jīng)理IDT公司黃黎明說(shuō)：“IDT與PC芯片組供應(yīng)商保持了多年的合作關(guān)系，在每一代參考設(shè)計(jì)上與之緊密合作，所以IDT能第一個(gè)了解上網(wǎng)本平臺(tái)的計(jì)時(shí)要求。由于是相對(duì)較新的PC型應(yīng)用，在支持Freescale的上網(wǎng)本方面，不同的客戶對(duì)其項(xiàng)目的計(jì)時(shí)要求并不確定。IDT的VersaclockⅢ可編程時(shí)鐘產(chǎn)品線是這些項(xiàng)目的較好選擇，因?yàn)樗鼈冊(cè)诳蛻舻陌迳鲜峭耆删幊痰?，如果必要的話，可以重新編程，使客戶能夠立即做到根?jù)系統(tǒng)計(jì)時(shí)需求完全自由地配置時(shí)鐘。在上網(wǎng)本的具體技術(shù)要求方面，功耗對(duì)于延長(zhǎng)電池壽命來(lái)說(shuō)非常重要。IDT與許多上網(wǎng)本客戶緊密合作，創(chuàng)建特殊功能將電池壽命延長(zhǎng)15％以上?！?/p>

3，開關(guān)穩(wěn)壓器的相位同步

隨著電子裝置越來(lái)越多地滲透到日常生活，如何確保它們之間不產(chǎn)生相互干擾成為了人們著重關(guān)注的焦點(diǎn)。但這一走勢(shì)與另一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)完全背道而馳：由于對(duì)能量效率的要求日益提高，因此越來(lái)越多的電子產(chǎn)品在設(shè)計(jì)時(shí)采用了開關(guān)穩(wěn)壓器(而不是線性穩(wěn)壓器)。隨著穩(wěn)壓器數(shù)目的增加，EMI(電磁干擾)的影響也在加大。為了解決這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)師正在使用多相、擴(kuò)頻時(shí)鐘。

“對(duì)于那些采用多個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器的系統(tǒng)，相位同步是一種定時(shí)方法，用于躊躇于每個(gè)開關(guān)電源的接通操作，這樣，在先前是一個(gè)死區(qū)的地方將存在輸入電流?！绷枇柼毓拘盘?hào)調(diào)理產(chǎn)品部產(chǎn)品市場(chǎng)工程師Greg zimmer介紹說(shuō)，這將產(chǎn)生諸多的好處：

·與同相同步相比，多個(gè)開關(guān)電源的異相同步具有較低的峰值電流(EMI因而較低)。

·相位同步增加了產(chǎn)生EMI的頻率。這將使EMI下降，原因是濾波處理在較高的頻率條件下更加有效。

·當(dāng)采用多個(gè)并聯(lián)穩(wěn)壓器來(lái)替代單個(gè)穩(wěn)壓器時(shí)，相位同步提供了額外的好處：

a，有效地消除了輸入和輸出端上的紋波電流，從而顯著地減少了輸入和輸出電容器。

b，需要一個(gè)較小的等效電感，因而提供了一個(gè)較高的電流轉(zhuǎn)換速率。

擴(kuò)頻調(diào)制(sSFM)指的是一種用于連續(xù)改變開關(guān)穩(wěn)壓器時(shí)鐘頻率的方法。該方法可確保不允許發(fā)射能量在任何接收器的頻帶中停留很長(zhǎng)的時(shí)間。為此，實(shí)現(xiàn)相位同步需要具備從單個(gè)時(shí)鐘信號(hào)來(lái)準(zhǔn)確地產(chǎn)生多個(gè)相位的能力。實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓器的有效SSFM取決于4個(gè)主要因素：受影響接收器的帶寬、頻率調(diào)制的方法、擴(kuò)頻量和調(diào)制速率，凌力爾特都有完善的解決方案。

4，F(xiàn)PGA或ASIC中的應(yīng)用

Cypress的Sudhir介紹說(shuō)，可編程時(shí)鐘諸如FleXO系列可生成無(wú)標(biāo)準(zhǔn)頻率，從而優(yōu)化FPGA或ASIC的性能。在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中，頻率適當(dāng)?shù)靥峥旎蚍怕稽c(diǎn)兒，都會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能有很大的提高。尤其是在通信設(shè)備里，一個(gè)6U甚至更大的機(jī)箱，時(shí)鐘信號(hào)需要經(jīng)過(guò)不同的板卡，因此會(huì)產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)的延遲，即時(shí)延。因此，在不同PCB(印制電路板)上傳輸時(shí)時(shí)鐘是易變的。但信號(hào)是需要同步的、盡管不同板之間的信號(hào)時(shí)延是設(shè)計(jì)者難以控制的。有了可編程時(shí)鐘器件。設(shè)計(jì)者就可以在系統(tǒng)聯(lián)調(diào)時(shí)做一些微調(diào)，這樣就把原來(lái)需要用的一些其他方式(比如每過(guò)一個(gè)板子，后面的信號(hào)都要去進(jìn)行一次同步)省掉了，使眼圖和誤碼率最終滿足要求。

時(shí)鐘供應(yīng)商的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)

Maxim：擁有自己的晶圓廠和安裝、測(cè)試工廠，并在近期開發(fā)出了新的高速集成工藝和高精度仿真模塊。

凌力爾特：器件具有簡(jiǎn)單、緊湊、低功率和堅(jiān)固的特點(diǎn)，并為晶體或陶瓷諧振器提供了一種真正的替代方案。

安森美：所有的產(chǎn)品都使用從輸入到輸出方面完全差異化的設(shè)計(jì)。例如，NBXxxxx高性能單頻和雙頻PureEdge時(shí)鐘模塊系列非常適合高速網(wǎng)絡(luò)、電信和高端計(jì)算等應(yīng)用。

ADI：專注于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器時(shí)鐘。在整數(shù)和分?jǐn)?shù)N分頻鎖相環(huán)技術(shù)方面均已擁有強(qiáng)大的專業(yè)技術(shù)，加上領(lǐng)先的DDS技術(shù)，被用于數(shù)字鎖相環(huán)頻率合成解決方案。

lDT：時(shí)鐘產(chǎn)品是IDT的戰(zhàn)略重點(diǎn)，而不是一個(gè)輔助產(chǎn)品線。IDT并不提供現(xiàn)成的解決方案，而是與客戶緊密合作，創(chuàng)建針對(duì)其系統(tǒng)的良好解決方案。

Sitime：1)通過(guò)采用Frac-N PLL分?jǐn)?shù)分頻鎖相環(huán)路技術(shù)，可最大程度也實(shí)現(xiàn)頻率定制編程。2)采用了基于MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)的解決方案。

Sillcon Labs：高性能時(shí)鐘為下一代多速率線路卡提供了一個(gè)高度集成的、具有成本效益的抖動(dòng)衰減的解決方案，支持大量的客戶端和線路方面的接口。