不同類型時鐘產(chǎn)品的特性及選擇時的注意事項

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/程文智）不論我們設(shè)計的電子產(chǎn)品是應(yīng)用在云計算、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)必然需要時鐘產(chǎn)品的支持，時鐘產(chǎn)品就如人類的脈搏一樣，只有在時鐘的支持下，電子產(chǎn)品才能正常工作。

那么時鐘產(chǎn)品有哪些種類，它們分別有什么特性，工程師在選用的時候需要注意些什么呢，我們今天就來一起聊一聊。

時鐘產(chǎn)品的分類

時鐘產(chǎn)品主要分為兩大類，一類是異步時鐘產(chǎn)品，它的功能是給本地單板提供工作時鐘，包括晶振、時鐘發(fā)生器，及時鐘緩沖器等等；另一類是同步時鐘產(chǎn)品，它的功能是跟蹤上下游時鐘產(chǎn)生同步之后的時鐘給下游使用，它主要包括濾抖芯片、同步以太網(wǎng)（SyncE）和IEEE1588時鐘產(chǎn)品等。

具體一點來分的話，工程師常用的時鐘產(chǎn)品主要是六個大類：
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。

二是時鐘生成器，主要是低抖動、低功耗的時鐘發(fā)生器。

三是時鐘分配器，它實際上是時鐘緩沖器，包括低附加抖動的各種各樣的緩沖器。詳細(xì)來看，有扇出緩沖器，零延時緩沖器，分頻器和多路開關(guān)等。

四是抖動衰減產(chǎn)品，這類主要用在網(wǎng)絡(luò)里，或者是上下游，進(jìn)行時鐘濾抖的，比如抖動濾波，時鐘轉(zhuǎn)換等。

五是時鐘同步產(chǎn)品，包括同步以太網(wǎng)時鐘芯片和IEEE1588的時鐘芯片。

六是其他簡單的時鐘器件，包括555定時器，邏輯轉(zhuǎn)換器，交叉點開關(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鐘產(chǎn)品都有哪些特點，在選用不同類型的時鐘產(chǎn)品時，有哪些注意事項。

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或時鐘振蕩器是最基礎(chǔ)的振蕩器，由晶體和基本驅(qū)動電路組成，內(nèi)部不但集成了諧振電路，還集成了驅(qū)動電路。因此，用戶只需要提供一個穩(wěn)定的電源，就能產(chǎn)生所需要的頻點。但是由于沒有任何形式的補償，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成為了一個頻率可以微調(diào)的時鐘輸出。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，即溫補晶體振蕩器，通過附加的溫度補償電路來補償因環(huán)境溫度變化而引起的振蕩器頻率變化。它的內(nèi)部包含一個溫度補償電路，當(dāng)外部環(huán)境溫度變化的時候，溫度補償電路會去補償因為溫度的變化造成的晶體頻率的偏差，從而產(chǎn)生一個相對穩(wěn)定的頻率輸出。

但是，對于一些特殊的應(yīng)用場合，TCXO仍然是不能滿足要求的，因此，另外一種產(chǎn)品應(yīng)運而生了，那就是OCXO。

OCXO，即恒溫晶體振蕩器，它內(nèi)部具有一個恒溫槽，恒溫槽會根據(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)房內(nèi)一樣，從而保證了諧振電路輸出頻率的相對穩(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是放置在一個類似PCB的基板上，再與晶體封裝起來，形成了一個振蕩器產(chǎn)品。因此，對于傳統(tǒng)的石英晶體振蕩器來說，它是一個模塊，而不是一個基于硅片的IC。

對于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)生靜電場來激勵諧振器。也就是說，它完全基于硅片，因此，MEMS振蕩器是一個IC產(chǎn)品。

正是因為這樣，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、抗沖擊、失效率、封裝和交貨時間，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比（來源：Microchip）

但是，對于一些特殊的應(yīng)用場合，比如頻率穩(wěn)定度要求很高的場合，OCXO的頻率穩(wěn)定度要更高。因此，一些特殊應(yīng)用場合仍然會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)品的時候，需要關(guān)注頻率穩(wěn)定性、初始容差、老化率、抖動、相位噪聲和保持性能等等。當(dāng)然，對于一些特殊的應(yīng)用場合，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OCXO的典型應(yīng)用場景。

圖3：典型的OCXO應(yīng)用場景（來源：Microchip）

圖3是OCXO在無線產(chǎn)品中的典型應(yīng)用場景。OCXO在外部控制器和其他電路的配合下，形成了一個閉環(huán)的模擬鎖相環(huán)（APLL），該APLL可以鎖定GPS提供的1pps的信號輸入，產(chǎn)生1pps的信號輸出和一個10MHz頻率的時鐘輸出，系統(tǒng)可以根據(jù)1pps的信號輸出和10MHz時鐘輸出做各種各樣的數(shù)據(jù)和信號處理。

時鐘發(fā)生器

時鐘發(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。時鐘發(fā)生器的主要功能是實現(xiàn)頻率變換，可以對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。

在時鐘發(fā)生器的內(nèi)部，實際上是一個模擬鎖相環(huán)（APLL），該APLL可以鎖定來自外部的參考時鐘，這個參考時鐘可以是上游提供的參考時鐘，也可以是振蕩器提供的參考時鐘。APLL可以把時鐘參考時鐘倍頻到高頻，比如將25MHz的信號倍頻到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？對于APLL而言，固有抖動非常好，但它有自己的缺點，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，不論是APLL，還是DPLL，他們都兩個共同點，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)中通常有多路時鐘域，每個時鐘由獨立的晶體或振蕩器產(chǎn)生。相比之下，時鐘發(fā)生器具備諸多優(yōu)勢：高度集成、可代替多個晶體或振蕩器、占用電路板的空間少，以及可靠性高等。

那么，在選擇時鐘發(fā)生器時，需要考慮哪些參數(shù)呢？一般來說，主要考慮的參數(shù)有：輸出時鐘可以支持的頻率范圍、輸出時鐘可以支持的時鐘域、輸出時鐘可以支持的路數(shù)、抖動/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擴頻時鐘、是否支持相位調(diào)節(jié)、是否需要零延時功能、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時鐘發(fā)生器來說，它內(nèi)部有兩個APLL，它們同時鎖定到了同一個XO，然后產(chǎn)生了以太網(wǎng)絡(luò)需要的156.25MHz時鐘；PCIe系統(tǒng)所需要的100MHz時鐘；以及USB系統(tǒng)需要的48MHz時鐘。也就是說，通過這樣的時鐘發(fā)生器，可以產(chǎn)生各種各樣的頻點，給單板做工作時鐘。

時鐘緩沖器

當(dāng)系統(tǒng)中需要多路時鐘信號時，最有效的產(chǎn)生方法是使用時鐘緩沖器。而時鐘緩沖器實際上是一個比較簡單的器件，本質(zhì)上來說，它實現(xiàn)了時鐘的驅(qū)動，比如說前面有一個時鐘進(jìn)來，可以通過時鐘緩沖器，實現(xiàn)多個相同頻段的輸出。

在選用時鐘緩沖器時，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參數(shù)是附加抖動RMS。為什么關(guān)注該參數(shù)呢？因為對于時鐘緩沖器產(chǎn)品，是會劣化時鐘的，也就是說，一個好的，低抖動的時鐘輸入進(jìn)來，經(jīng)過時鐘緩沖器之后，時鐘的抖動會變大。那么，抖動變大之后的時鐘是否滿足應(yīng)用的要求，這一點工程師需要多多關(guān)注一下。

圖5：選擇不同時鐘緩沖器類型時需要考慮的參數(shù)

濾抖芯片

濾抖芯片，顧名思義就是濾除抖動，既然可以濾除抖動，那么芯片內(nèi)部必然是一個低通的濾波器，濾抖芯片通常會有兩種架構(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鐘，后面是參考時鐘的監(jiān)視器、DPLL模塊、APLL模塊，分頻器模塊，輸出的驅(qū)動電路等。根據(jù)其內(nèi)部框圖，可以看出，除了模塊之外，對于內(nèi)部有DPLL模塊的鎖相環(huán)而言，通常還需要外部提供一個工作時鐘，該工作時鐘在給DPLL提供工作時鐘的同時，還會用這個工作時鐘來監(jiān)控輸入?yún)⒖荚吹淖兓?br />
同步以太網(wǎng)和IEEE1588時鐘產(chǎn)品

同步以太網(wǎng)和IEEE 1588時鐘產(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，因為這樣可以利用APLL抖動性能好，DPLL比較靈活的特點。

同步以太網(wǎng)和IEEE1588時鐘產(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：時鐘同步類型

一般來說，時鐘的同步有三種類型：頻率同步、相位同步，以及時間同步。它們之間是不一樣的。

對于頻率同步，他們之間的相差是固定的，但是沿是無法對齊的；對于相位同步，相差是固定的，沿也是對齊的，但每一個沿產(chǎn)生的時刻可能是不一樣的；而時間同步，每一個沿產(chǎn)生的時刻是一樣的，因此我們稱之為時間同步。

拿電信網(wǎng)絡(luò)來說，整個的電信網(wǎng)絡(luò)的時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)實際上是逐級逐跳傳遞同步信號的。具體來說，電信網(wǎng)絡(luò)最開始的高精度時鐘信號由原子時鐘產(chǎn)生，一般原子時鐘會作為第一跳的設(shè)備，第一級的設(shè)備會把同步信號傳遞到第二級，第二級會把同步信號傳遞給第三級、第四級等等。

逐級逐跳傳遞過程中，通過什么來實現(xiàn)的呢，其實就是通過同步以太網(wǎng)和IEEE1588來實現(xiàn)的。

圖8：同步以太網(wǎng)時鐘的應(yīng)用。

具體來看一下同步以太網(wǎng)時鐘在具體設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)中，是如何傳遞的，首先上游同步以太網(wǎng)會給PHY一個參考的工作時鐘，PHY收到時鐘后，會基于這個時鐘，把數(shù)據(jù)傳遞給下一級，在接收端，接收端會把時鐘和數(shù)據(jù)解出來，提取出來的時鐘，會再給鎖相環(huán)芯片，鎖相環(huán)芯片鎖定這個時鐘，產(chǎn)生一個新的時鐘，給PHY的SerDes，它再基于這個時鐘，把數(shù)據(jù)傳遞出去，從而實現(xiàn)了物理層的逐級逐跳的時鐘傳遞的過程。

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個時鐘卡和多個線路卡，輸入同步信號從PHY接收器恢復(fù)傳輸?shù)綍r鐘卡系統(tǒng)時鐘，再由時鐘卡處理后分發(fā)信號傳輸?shù)剿芯€路卡PHY發(fā)送器。

時鐘卡和線路卡上都會放置鎖相環(huán)芯片，但是它們實現(xiàn)的功能是不一樣的，時鐘卡上的鎖相環(huán)可以濾除時序干擾（漂移），并在外部時序源暫時丟失時提供保持功能，以及滿足各種各樣的復(fù)雜協(xié)議；線路卡上的鎖相環(huán)芯片可以濾除抖動和轉(zhuǎn)換時鐘頻率。

圖9：IEEE1588的應(yīng)用

IEEE1588的傳遞跟同步以太網(wǎng)的傳遞有點不一樣。它是把時間信號放在報文內(nèi)。逐級逐跳往下傳遞的。對數(shù)字鎖相環(huán)，或者模擬鎖相環(huán)而言，它是一個低通濾波器，同時也是一個閉環(huán)的負(fù)反饋系統(tǒng)，對于IEEE1588而言，它也是是一個閉環(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，或者系統(tǒng)上。