高性能時鐘產品趨勢漫談

王　瑩

摘要：當前，時鐘產品的推出速度越來越快，時鐘需要滿足的標準也在不斷發展，時鐘需要更高的性能、更高的精度，系統尺寸也需要越來越小，在存儲、通信與網絡、上網本、開關穩壓器的相位同步、FPGA等方面的應用成為熱門。

關鍵詞：時鐘；計時；抖動；EMI削減；可編程

鐘表就像電子系統中跳動的心臟。隨著通信和網絡、企業服務器和存儲設備、消費電子、醫療電子、汽車設備、辦公及家庭解決方案的興起，系統計時便成為一個重要的話題。近日，《電子產品世界》采訪了部分頂尖時鐘產品廠商，請他們介紹了時鐘產品的趨勢。

時鐘面臨的挑戰

首先，新產品推介的速度越來越快。Cypress時序解決方案業務部高級主管Sudhir Gopalswamy說：“在各種應用領域里面，我們可以看到整個新產品向市場推廣的進度變得越來越快。”以中國的兩個蓬勃發展的應用產業來說，數字電視產業以前可能需要兩年的時間，現在縮短到不到六個月；同樣，通信領域的系統設備的整體推出時間也大大縮短。

其次，標準在發展。SiliconLaboratories時序產品高級產品營銷經理James Wilson指出，隨著硬件設計在互聯網、無線／射頻傳輸、廣播視頻、測試測量等高性能應用中變得越來越復雜，硬件設計人員在一項單一的硬件設計中，做到支持越來越多的標準、協議和規格。例如正在設計中的最新互聯網設備，不僅需要支持同步光纖網標準、同步數字系列標準和以太網，還需要支持高清晰度視頻傳輸。下一代無線基礎設備正在設計當中，需要同時支持寬帶無線接入技術和長期演進技術。因此，“對于我們的客戶來說，在不降低性能或成本的情況下，設計出最有效率的時序產品是一個重大的挑戰。”

高性能的需求。安森美半導體數字及混合信號產品部策劃市場經理白國能說，隨著電子系統的數據率越來越高，高速數字信號的質量與輸入時鐘緊密相關，故需要高性能時鐘。高性能及高精度時鐘最講究頻率抖動性能，其次就是需要顧及溫度穩定性和功耗問題。

高精度。Gartner公司首席研究分析師Sergis Mushell指出：“在通信和數據處理應用領域，對高性能時序Ic日益增長的市場需求的關鍵在于對于更高精度的需求。可編程時鐘為工程師提供了高度的設計靈活性，能充分滿足通信和數據處理領域內多種應用的要求。”為此，Cypress于今年6月16日推出了可編程系列—FleXO，它可即時生成從50到650MHz之間的任意頻率，其中包括通常用來優化FPGA或ASIC性能的非標準頻率。設計人員能通過簡單的引腳選擇或12C編程來調節FleXO時鐘的輸出頻率，以便在整個硬件平臺系列上使用單一器件。FleXO時鐘發生器還支持頻率容限功能，這樣設計人員就能以0.2ppm的精度調節時鐘頻率，從而測試系統在各種潛在頻率波動情況下的穩健性。

系統尺寸需求越來越小。主要滿足便攜式產品的需求。今年7月17日，Intersil發布小而薄的實時時鐘器件—ISLl2057／8／9，定位低電壓和便攜式應用，號稱比普通產品方案小73％，厚度小45％，簡化了電表、多功能打印機、數碼相框和許多其他設備的設計，使系統成本降低。

高性能時鐘的發展趨勢

Cypress的Sudhir總結高性能時鐘的主要特點如下。

·性能：高頻、低抖動、低相位噪聲。

·可編程性：可根據客戶不同的需求，快速修改設計，在很短的時間內幫助實現客戶需求。例如Cypress的FleXO時鐘發生器采用了可編程鎖相環(pLL)技術，相對于昂貴且不靈活的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。

·系統成本降低：主要通過提高集成度，可以把整個系統里面的元器件個數降低，進而把整個系統的成本降低。

·廣闊的產品組合：即產品系列非常全，某類設計里需要用到的時鐘產品盡可能在一家公司里全部找到。

·廣闊的標準配置，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)，也可以晶體內置(xO，VCXO或支持頻率容限功能的XO型)。

SiTime市場行銷副總裁PiyushSevaiia則指出了具體指標：

·高頻(>100MHz)；

·計時抖動非常小，<2psRMS(均方根)相位抖動；

·差分信號—LVDS，LVPECL，HCSL；

·在不影響性能的情況下，支持采用低電壓(1.8V)實現低功耗；

·可編程實現定制各種頻率，從而實現性能的最優化。例如，雖然10千兆位以太網要求采用156.25 MHz的頻率，但在某些應用中，為了提高性能和減小位錯，經常用到的是156.25391 MHz的時鐘。

熱門應用

據SiTime介紹，目前，許多應用都需要性能非常高的時鐘，這些時鐘要具有高的頻率、良好的穩定性和超低的計時抖動，其中包括如下方面。

·存儲應用：

工作頻率為15OMHz的SATA時鐘：

工作頻率為106.25 MHz或212.5MHz光纖通信時鐘；

250 MHz或s00 MHz USB接口；

98.304 MHz Hrewire高速數據傳輸接口。

·以太網應用：

125 MHz千兆位以太網：

156.25 MHz或312.5 MHz 10千兆位以太網。

·頻率要求為155.52 MHz的各種無源光網絡(PON)應用。

其他受訪廠家則詳細介紹了通信和網絡、電源、上網本和FPGA或ASIC應用。

1，通信和網絡

ADI高級產品經理Jeff Keip說，通信基礎設施市場對時鐘性能的要求特別高，而網絡終端市場的性能需求也在向同一水平靠攏。這兩個市場還對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的正常運行時間。因此，極低的抖動和相位噪聲是關鍵技術指標。對于網絡應用，抖動超過指定帶寬(例如12kHz-20MHz，S0kHz～80MHz)，而對于基站，客戶所關注的是非常寬的帶外噪聲／抖動性能。在網絡應用中，保持和切換等特性是將系統停機時間保持在最低限度所必需的。在無線通信中，這些特性也有用，盡管不是最關鍵的。

Maxim時鐘產品線總監IchiroYamada具體介紹了無線基站中的應用：用于同步通信系統、無線基站、SONET／SDH、路由器的低噪聲、高頻時鐘是近期市場的應用熱點。中國和印度都在積極推進2G、3G手機基站和用于站間通信的點對點無線鏈路，

雖然許多廠商已經瞄準LTE和WiMax市場，但GSM仍然保持其主流地位。

無線基站是同步系統，需要抖動抑制功能以便為終端電路提供穩定的時鐘。基帶單元與射頻單元之間的串行通信要求抖動低于1ps的時鐘，此外，射頻單元還需要穩定的時鐘驅動高速ADC和DAC，基于電流LCVCO(Lc壓控振蕩器)的PLL時鐘具有穩定的時域特性(低抖動)，當然，為了改善頻域的噪聲(SSB相位噪聲)指標還需要相應的改進措施。

同步以太網(syncE)在基站中的應用非常普遍，無線基站網絡采用傳統的T1／E1。為了降低運行成本，運營商正在將TDM網絡轉移到包交換網絡。考慮到無線基站系統是一個同步通信系統，需要對IP數據傳輸進行同步。IEEEl588是支持IP同步的標準之一。對于SyncE時鐘設備，抖動抑制、時鐘保持、無縫切換參考時鐘、頻率轉換等都是設計中需要特別關注的因素。

這些熱點應用對時鐘提出了許多特定的技術要求。例如，無線RF應用中，相位噪聲是最重要的指標之一，晶體振蕩器能夠滿足這一指標要求，但許多開發商已經開始采用高Q值LCVCO和SAW技術。高度穩定的低頻VCXO+PLL(壓控晶振+鎖相環)倍頻對于SyncE線卡是一個經濟實用的選擇，非常適合背板時鐘、PHY時鐘轉換、從背板時鐘產生PHY考時鐘等應用。

這類應用中需要謹慎設計VCX0保持盡可能低的頻率溫漂，并使PLL倍頻時鐘的抖動低于1psRMS。另外，高速串行通信鏈路還要求時鐘發生器具有較高的電源噪聲抑制比。電源、高速開關器件(ASIC、FPGA、存儲器等)的噪聲會注入到PLL，影響抖動指標，因此，較高的電源噪聲抑制比是PLL時鐘發生器設計所面臨的另一挑戰。

2，上網本的計時

目前在中國，時鐘的一個熱點是上網本。“由于上網本基于傳統的PC芯片組(Intel和AMD)，以及一些移動處理器芯片(Freescale)，與這些供應商的關系的關鍵是了解上網本的必要條件。”IDT中國區總經理IDT公司黃黎明說：“IDT與PC芯片組供應商保持了多年的合作關系，在每一代參考設計上與之緊密合作，所以IDT能第一個了解上網本平臺的計時要求。由于是相對較新的PC型應用，在支持Freescale的上網本方面，不同的客戶對其項目的計時要求并不確定。IDT的VersaclockⅢ可編程時鐘產品線是這些項目的較好選擇，因為它們在客戶的板上是完全可編程的，如果必要的話，可以重新編程，使客戶能夠立即做到根據系統計時需求完全自由地配置時鐘。在上網本的具體技術要求方面，功耗對于延長電池壽命來說非常重要。IDT與許多上網本客戶緊密合作，創建特殊功能將電池壽命延長15％以上。”

3，開關穩壓器的相位同步

隨著電子裝置越來越多地滲透到日常生活，如何確保它們之間不產生相互干擾成為了人們著重關注的焦點。但這一走勢與另一個發展趨勢完全背道而馳：由于對能量效率的要求日益提高，因此越來越多的電子產品在設計時采用了開關穩壓器(而不是線性穩壓器)。隨著穩壓器數目的增加，EMI(電磁干擾)的影響也在加大。為了解決這些問題，設計師正在使用多相、擴頻時鐘。

“對于那些采用多個開關穩壓器的系統，相位同步是一種定時方法，用于躊躇于每個開關電源的接通操作，這樣，在先前是一個死區的地方將存在輸入電流。”凌力爾特公司信號調理產品部產品市場工程師Greg zimmer介紹說，這將產生諸多的好處：

·與同相同步相比，多個開關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。

·當采用多個并聯穩壓器來替代單個穩壓器時，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，需要一個較小的等效電感，因而提供了一個較高的電流轉換速率。

擴頻調制(sSFM)指的是一種用于連續改變開關穩壓器時鐘頻率的方法。該方法可確保不允許發射能量在任何接收器的頻帶中停留很長的時間。為此，實現相位同步需要具備從單個時鐘信號來準確地產生多個相位的能力。實現開關穩壓器的有效SSFM取決于4個主要因素：受影響接收器的帶寬、頻率調制的方法、擴頻量和調制速率，凌力爾特都有完善的解決方案。

4，FPGA或ASIC中的應用

Cypress的Sudhir介紹說，可編程時鐘諸如FleXO系列可生成無標準頻率，從而優化FPGA或ASIC的性能。在實際調試過程中，頻率適當地提快或放慢一點兒，都會對整個系統的性能有很大的提高。尤其是在通信設備里，一個6U甚至更大的機箱，時鐘信號需要經過不同的板卡，因此會產生時鐘信號的延遲，即時延。因此，在不同PCB(印制電路板)上傳輸時時鐘是易變的。但信號是需要同步的、盡管不同板之間的信號時延是設計者難以控制的。有了可編程時鐘器件。設計者就可以在系統聯調時做一些微調，這樣就把原來需要用的一些其他方式(比如每過一個板子，后面的信號都要去進行一次同步)省掉了，使眼圖和誤碼率最終滿足要求。

時鐘供應商的競爭優勢

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

凌力爾特：器件具有簡單、緊湊、低功率和堅固的特點，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：所有的產品都使用從輸入到輸出方面完全差異化的設計。例如，NBXxxxx高性能單頻和雙頻PureEdge時鐘模塊系列非常適合高速網絡、電信和高端計算等應用。

ADI：專注于數據轉換器時鐘。在整數和分數N分頻鎖相環技術方面均已擁有強大的專業技術，加上領先的DDS技術，被用于數字鎖相環頻率合成解決方案。

lDT：時鐘產品是IDT的戰略重點，而不是一個輔助產品線。IDT并不提供現成的解決方案，而是與客戶緊密合作，創建針對其系統的良好解決方案。

Sitime：1)通過采用Frac-N PLL分數分頻鎖相環路技術，可最大程度也實現頻率定制編程。2)采用了基于MEMS(微機電系統)技術的解決方案。

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