時(shí)鐘樹(shù)的設(shè)計(jì)原則

時(shí)鐘領(lǐng)域及其未來(lái)技術(shù)發(fā)展是半導(dǎo)體行業(yè)的熱門(mén)研發(fā)方向之一。

在高性能應(yīng)用中，例如通信、無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施、服務(wù)器、廣播視頻以及測(cè)試和測(cè)量裝置，當(dāng)系統(tǒng)集成更多功能并需要提高性能水平時(shí)，硬件設(shè)計(jì)就變得日益復(fù)雜，為系統(tǒng)提供參考時(shí)序的板級(jí)時(shí)鐘樹(shù)也走向這種趨勢(shì)。在進(jìn)行時(shí)鐘樹(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，“一成不變”的策略并不適用，優(yōu)化時(shí)鐘樹(shù)以滿足性能和成本的要求取決于多種因素，包括系統(tǒng)架構(gòu)、集成電路(IC)時(shí)序需求(頻率、信號(hào)格式等)和終端應(yīng)用的抖動(dòng)需求。

多年來(lái)，Skyworks投資于時(shí)鐘領(lǐng)域的研發(fā)創(chuàng)新，研發(fā)出集頻率靈活與低抖動(dòng)于一身的專利技術(shù)，并基于此向世界提供的廣泛的時(shí)鐘產(chǎn)品組合，包括時(shí)鐘發(fā)生器、時(shí)鐘緩沖器、抖動(dòng)清除時(shí)鐘和XO/VCXO等，及高性能和集成度的定制化時(shí)鐘樹(shù)解決方案。在技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)品更新中，我們?cè)跁r(shí)鐘樹(shù)的設(shè)計(jì)方面不斷探索，也積累了相關(guān)專業(yè)經(jīng)驗(yàn)，希望與行業(yè)專家探討與分享。

本文將從技術(shù)角度解析設(shè)計(jì)時(shí)鐘樹(shù)的設(shè)計(jì)原則，來(lái)幫助大家了解重要的設(shè)計(jì)步驟、更周全的考慮各種影響因素對(duì)于設(shè)計(jì)帶來(lái)的影響，以做出更加高效的設(shè)計(jì)決策。

第一章

參考時(shí)序-何時(shí)使用晶體或時(shí)鐘

第一個(gè)設(shè)計(jì)原則是理清硬件設(shè)計(jì)的參考時(shí)鐘需求，并選擇用于系統(tǒng)中處理器、FPGA、ASIC、PHY、DSP和其它組件的參考時(shí)鐘類型。如果IC已集成振蕩器和片上鎖相環(huán)(PLL)用于片內(nèi)時(shí)序，那么通常可以使用石英晶體。石英晶體具有成本效益，因其優(yōu)異的相位噪聲特性而被廣泛使用，他們放在靠近IC的地方，以簡(jiǎn)化電路板布局。然而，晶體的缺點(diǎn)之一是在整個(gè)溫度范圍內(nèi)頻率有顯著變化，超出許多串行器/解串器(SerDes)應(yīng)用中高精度ppm等級(jí)的穩(wěn)定性需求。在許多要求高穩(wěn)定性的高速SerDes應(yīng)用中，推薦使用晶體振蕩器(XO)，因其可以確保比無(wú)源晶體更可靠的穩(wěn)定性。

當(dāng)需要多個(gè)參考頻率時(shí)，通常使用時(shí)鐘發(fā)生器和時(shí)鐘緩沖器。在某些應(yīng)用中，F(xiàn)PGA/ASIC有多個(gè)時(shí)鐘域用于數(shù)據(jù)通路、控制平面和存儲(chǔ)控制器接口，需要多個(gè)特定參考頻率。如果IC不提供晶體輸入接口，或者當(dāng)IC需要與外部參考(同步源應(yīng)用)同步時(shí)，又或者當(dāng)所需高頻參考值很難由晶體生成時(shí)，時(shí)鐘發(fā)生器和緩沖器也是優(yōu)先選擇。

第二章

自由運(yùn)行對(duì)比同步時(shí)鐘樹(shù)

一旦硬件設(shè)計(jì)確定下來(lái)，并且為部分器件選擇了晶體，接下來(lái)的步驟就是為剩下的時(shí)鐘選擇時(shí)序架構(gòu)：自由運(yùn)行或同步。對(duì)于需要一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立參考時(shí)鐘，且沒(méi)有任何特殊鎖相環(huán)或同步需求的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，XO、時(shí)鐘發(fā)生器和時(shí)鐘緩沖器是理想選擇。處理器、存儲(chǔ)控制器、SoC 和外圍組件(例如，USB和PCI Express轉(zhuǎn)換器)通常使用 XO、時(shí)鐘發(fā)生器和時(shí)鐘緩沖器組合，為自由運(yùn)行和異步的應(yīng)用提供參考時(shí)序。如果應(yīng)用需要一到兩個(gè)定時(shí)源，XO 是最好的選擇;而時(shí)鐘發(fā)生器和緩沖器更適合同時(shí)需要多個(gè)獨(dú)立時(shí)鐘的應(yīng)用。時(shí)鐘發(fā)生器能夠合成多個(gè)不同頻率的時(shí)鐘，但與由時(shí)鐘緩沖器加上XO組成的時(shí)鐘樹(shù)相比，犧牲部分抖動(dòng)性能。時(shí)鐘緩沖器可以與XO聯(lián)合分配多個(gè)相同頻率的時(shí)鐘，并且為多輸出時(shí)鐘樹(shù)實(shí)現(xiàn)最低抖動(dòng)。

同步時(shí)鐘用于需要連續(xù)通信和網(wǎng)絡(luò)級(jí)同步的應(yīng)用，例如光傳輸網(wǎng)絡(luò)(OTN)、SONET/SDH、移動(dòng)回程、同步以太網(wǎng)和 HD SDI 視頻傳輸。以上應(yīng)用需要發(fā)射器和接收器在相同頻率操作。同步所有的SerDes參考時(shí)鐘到一個(gè)高精度網(wǎng)絡(luò)參考時(shí)鐘(例如，Stratum 3或GPS)，保證所有節(jié)點(diǎn)同步。在這些應(yīng)用中，基于低帶寬PLL 時(shí)鐘提供漂移和抖動(dòng)濾波(抖動(dòng)清除)，以確保網(wǎng)絡(luò)級(jí)同步。在網(wǎng)絡(luò)線路卡PLL應(yīng)用中，帶有壓控振蕩器(VCO)的專用抖動(dòng)衰減時(shí)鐘或分立PLL是SerDes定時(shí)首選的時(shí)鐘解決方案。為了獲得最佳性能，抖動(dòng)衰減時(shí)鐘應(yīng)放置在時(shí)鐘樹(shù)末端，直接驅(qū)動(dòng)SerDes器件，時(shí)鐘發(fā)生器和緩沖器可為其他系統(tǒng)提供參考。

<時(shí)鐘樹(shù)示例>

第三章

時(shí)鐘抖動(dòng)

時(shí)鐘抖動(dòng)是時(shí)序器件的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，因?yàn)檫^(guò)多的時(shí)鐘抖動(dòng)會(huì)影響系統(tǒng)性能。有三種常見(jiàn)的時(shí)鐘抖動(dòng)類型，并且在不同的應(yīng)用中，某種抖動(dòng)類型可能比另外兩種更重要。

相鄰周期間抖動(dòng)是指任意兩個(gè)相鄰時(shí)鐘周期之間，時(shí)鐘周期的最大差異，通常測(cè)量1000個(gè)時(shí)鐘周期以上。

周期抖動(dòng)是指在大量周期(通常為10000個(gè)時(shí)鐘周期)中，實(shí)際周期與理想周期的最大偏差。相鄰周期間抖動(dòng)和周期抖動(dòng)在計(jì)算數(shù)字系統(tǒng)的建立和保持定時(shí)余量時(shí)有一定作用，而且是CPU和SoC器件常見(jiàn)的性能系數(shù)。

相位抖動(dòng)是高速SerDes應(yīng)用的性能參數(shù)。它是噪聲功率對(duì)信號(hào)總功率的比值，是通過(guò)對(duì)時(shí)鐘信號(hào)單邊帶相位噪聲所在的偏離載波信號(hào)的頻帶范圍進(jìn)行積分計(jì)算而得。相位抖動(dòng)在FPGA和高速SerDes定時(shí)應(yīng)用中非常關(guān)鍵，過(guò)度的相位抖動(dòng)會(huì)增加高速串行接口的位錯(cuò)誤率。

在時(shí)鐘樹(shù)設(shè)計(jì)和器件選擇期間，基于最大抖動(dòng)性能來(lái)評(píng)估器件非常重要。一般的抖動(dòng)規(guī)格并不能確保在所有情況下(包括工藝、電壓、溫度和頻率變化)皆能符合性能。除了額外因素，最大抖動(dòng)還包括更全面的規(guī)格。

此外，要特別注意確認(rèn)時(shí)序器件數(shù)據(jù)手冊(cè)上的抖動(dòng)測(cè)試條件。時(shí)鐘抖動(dòng)性能在很多情況下都會(huì)變化，包括器件配置、工作頻率、信號(hào)格式、輸入時(shí)鐘轉(zhuǎn)換速率、供電電源和電源噪聲。要盡可能尋求完全符合指定抖動(dòng)測(cè)試條件的器件，才能確保在更廣的操作范圍內(nèi)工作。

第四章

時(shí)鐘和振蕩器器件選擇標(biāo)準(zhǔn)

一旦基本的時(shí)鐘樹(shù)架構(gòu)確定，下一個(gè)步驟是選擇器件。表1匯總了在自由運(yùn)行和同步時(shí)鐘樹(shù)設(shè)計(jì)中時(shí)鐘和振蕩器器件的選擇標(biāo)準(zhǔn)。為了降低物料清單(BOM)成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜度，要尋求簡(jiǎn)化時(shí)鐘樹(shù)設(shè)計(jì)的特性。

<時(shí)鐘器件選擇標(biāo)準(zhǔn)>

第五章

消除時(shí)鐘樹(shù)抖動(dòng)

時(shí)鐘樹(shù)設(shè)計(jì)完成之前，要評(píng)估總的時(shí)鐘樹(shù)抖動(dòng)，以保證有足夠的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)余量。需要特別注意的是，總的時(shí)鐘樹(shù)抖動(dòng)有效值遠(yuǎn)低于數(shù)據(jù)手冊(cè)中多個(gè)組件規(guī)格的簡(jiǎn)單相加。時(shí)鐘樹(shù)的抖動(dòng)定義如下圖。

器件抖動(dòng)可通過(guò)數(shù)據(jù)手冊(cè)中的抖動(dòng)規(guī)格進(jìn)行估算，或從相位噪聲數(shù)據(jù)中計(jì)算。Skyworks提供簡(jiǎn)便的工具，把時(shí)鐘相位噪聲轉(zhuǎn)換成抖動(dòng)。詳細(xì)信息，請(qǐng)瀏覽網(wǎng)站：https://tools.skyworksinc.com/jittercalculator/phase-noise-jitter-calculator.aspx。請(qǐng)注意用最大抖動(dòng)規(guī)格來(lái)生成總時(shí)鐘樹(shù)抖動(dòng)的保守估計(jì)值。

注意：如果抖動(dòng)分布是高斯類型和非相干的，這個(gè)方程可應(yīng)用于計(jì)算總的周期抖動(dòng)和相位抖動(dòng);方程不適用于相鄰周期間抖動(dòng)，那表示是抖動(dòng)峰值，而不是有效值。

第六章

簡(jiǎn)化時(shí)鐘樹(shù)設(shè)計(jì)

除了基本的時(shí)鐘生成和分配之外，許多時(shí)鐘還要具備特殊功能。例如，格式/電平轉(zhuǎn)換(例如3.3V LVPECL到2.5V LVDS)、不同頻率的時(shí)鐘切換、時(shí)鐘分頻、引腳選擇的輸出啟動(dòng)控制和為降低電磁干擾(EMI)的CMOS驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度(輸出阻抗)控制。如果采用離散方式設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)這些功能將為時(shí)鐘樹(shù)設(shè)計(jì)增加大量成本和復(fù)雜性。Skyworks推出的Si5330x通用緩沖器/轉(zhuǎn)換器系列產(chǎn)品，集成格式/電平轉(zhuǎn)換、時(shí)鐘多路復(fù)用、時(shí)鐘分頻和其它關(guān)鍵的時(shí)鐘樹(shù)功能塊。上述器件可以用單個(gè)時(shí)鐘緩沖器IC取代多個(gè)LVPECL、LVDS、CML、HCSL和LVCMOS緩沖器。除了簡(jiǎn)化時(shí)鐘樹(shù)設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖2)，Si5330x芯片最大限度地降低BOM成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜度，簡(jiǎn)化采購(gòu)過(guò)程，并提高系統(tǒng)性能。

一直以來(lái)，Skyworks投資于研發(fā)，在時(shí)鐘領(lǐng)域獲得多項(xiàng)技術(shù)專利，并為行業(yè)提供廣泛的時(shí)鐘產(chǎn)品組合以及低功耗、小尺寸、模擬密集型混合信號(hào)的定制化解決方案。未來(lái)，Skyworks將繼續(xù)堅(jiān)持創(chuàng)新，繼續(xù)致力于推動(dòng)時(shí)鐘領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步及產(chǎn)品研發(fā)。

審核編輯：湯梓紅