理想情况下,新系统的开发人员应该在设计过程的早期就做出时钟要求的决定.虽然时钟频率是应该预先知道的关键参数,但确定这些频率有时需要实验和重新评估.在设计的原型和验证阶段快速改变时钟频率的能力可以加快上市时间.使用频率灵活的可编程晶体振荡器(XOs)作为原型工具,可以简化验证系统性能的过程,并有助于简化整个产品开发周期.
评估多个频率
当进行任何系统设计工作时,频率变化通常在设计周期的后期变得必要.例如,在开发过程中尝试和优化时钟速率通常会提高性能和设计效率.在其他情况下,设计中的错误或误判可能需要改变频率.在任何一种情况下,使用能够适应最后时刻变化的石英晶体振荡器都是有帮助的,而不必改变材料清单或印刷电路板布局,特别是因为固定频率XO的交付周期可能会延长几周甚至几个月.
最后一刻的改变非常普遍,尤其是在基于现场可编程门阵列的应用中.FPGAs的极大灵活性意味着可以快速调整逻辑路径宽度和数据速率,以提高功率,吞吐量或门利用率.例如,在FPGA设计的最后阶段,改变数据路径宽度或降低时钟速率可能是关闭时序的有效方法.此外,可能会有混合信号电路,如片内串行器/解串行器(SerDes)收发器,它们可能会受益于时钟优化.输出抖动性能和误码率通常直接取决于基准时钟频率.快速改变时钟频率的能力有助于达到最佳时钟速率.
频率余量微调
在生产测试期间,使用标准频率的系统也可以从频率灵活的XOs中获益,用于设计验证和频率余量调整.虽然以太网媒体访问控制或PHY可以指定156.25MHZ晶振的参考XO,但固定频率的参考不能实现速率容差.为了给系统留出余量,设计人员必须使用能够产生156.25+100ppm和156.25-100ppmMHz的外部时钟源,或者他们必须返工电路板以安装更快或更慢的XOs.这种方法变得有限且耗时,尤其是在多种温度条件下测试多个电路板时.
频率余量微调也可以使用多个XO和一个多路复用器来实现,如图1所示.这种方案的缺点包括频率数量有限以及在频率之间切换时会引入额外的噪声和相位不连续性.这种方法还需要不同的印刷电路板尺寸来进行验证和生产.
图1.使用多个XOs和多路复用器的频率余量微调
使用外部时钟源或多个XO执行频率余量微调通常会限制设计人员进行精细频率调整或验证连续频率以排除可疑问题区域的能力.由于获得额外时钟频率所需的前置时间,此问题可能会导致额外的重新工作和延迟.例如,如果系统在+100ppm下工作,但在+55ppm下出现故障,这两种方法都无法有效捕捉到故障.
传统频率柔性XOs无法应对挑战
执行频率余量微调问题的更好方法是使用在线可编程XO,它可以产生具有极高增量频率分辨率的连续频率,而不会引入相位毛刺或损害相位抖动性能.传统的XOs无法实现这种频率灵活性,因为它们依赖于机械调谐的石英晶振,这些晶体被切割以在特定频率下谐振.每个新频率需要不同的晶体尺寸.
为了满足这一需求,传统XO供应商使用锁相环等模拟电路技术来克服传统晶体振荡器的频率刚性.然而,模拟PLL通常限于二次幂或整数倍频.这些解决方案无法满足为设计人员提供总频率编程或“调谐”灵活性所需的频率分辨率.
电源抑制性能也会影响系统原型制作和调试时间
众所周知,模拟PLL对噪声非常敏感,通常通过电源和内部VCXO振荡器将噪声源耦合和放大到输出时钟信号.这种灵敏度可防止模拟PLl在高性能系统中驱动超低抖动时钟信号,因为在高性能系统中,时钟灵活性非常重要,环境往往很嘈杂且充满敌意.为了解决所有这些电源噪声,在时间关键的原型调试阶段,必须经常修改或重新设计多氯联苯,这大大延迟了系统验证和最终的生产发布.
系统噪声主要是由于瞬态负载开关电流和开关模式电源(SMPS)在大多数计算机,通信和消费系统中的广泛使用造成的.为了应对这些SMPSs产生的噪声和纹波,集成片内电源电压调节和滤波正成为固定XO和可编程XO的必要特性.集成调节和滤波有助于抑制电源轨上常见的噪声,因此不会影响输出时钟的抖动性能.在大多数情况下,与传统的基于模拟的XOs相比,额外的PSR性能将提高抖动容限,扩展链路范围并增强系统性能.
集成滤波和调节可直接转化为材料清单成本和元件数量的节省,因为设计人员可以最小化甚至消除外部电源滤波器和铁氧体磁珠元件,以保持足够的抖动性能.例如,假设基于模拟锁相环的XO的电源上存在100千伏安范围为100千赫至1兆赫的正弦纹波.提高系统功率效率所需的开关电源通常在此频率范围内工作.电源上如此大的噪声会降低典型石英晶体振荡器的抖动性能,使用基于模拟的锁相环,无需片内滤波和调节,从约10ps(无电源噪声)降至50ps(有电源噪声).抖动性能的降低使得基于模拟锁相环的普通异或不适合高速网络应用,如千兆以太网和万兆以太网.
底线是什么？基于模拟锁相环的XOs的性能和频率限制迫使系统设计者使用通常缺乏集成电源调节和滤波的固定频率器件.结果,设计师们发现自己回到了起点,没有多少选择.
I2C数字可编程XOs提供了一个多功能解决方案
I2C数字可编程XO为固定频率XO提供了一种灵活的替代方案.例如,如图2所示,硅实验室的可编程振荡器结合了传统的
固定频率晶振基准电压源和专利数字锁相环技术,可提供频率分辨率优于每万亿分之26的集成电路可编程输出.由于其独特的数字电路和广泛的内部电源调节滤波,基于数字锁相环技术的振荡器可以轻松实现与固定振荡器相当的抖动性能
基于频率声表面波的振荡器.集成电路可编程振荡器能够评估任何
系统中的频率而不牺牲性能.此外,集成电路可编程XO可以用默认启动频率订购,并且它们与固定频率XO引脚和性能兼容.
图2.硅实验室集成电路可编程XO架构示例
摘要
通过使用频率灵活,集成电路可编程的有源晶振作为原型工具,开发人员可以大大简化验证和最大化系统性能的过程,同时简化整个产品开发周期.能够在不改变材料清单,返工电路板设计或等待长交付周期XOs的情况下改变时钟频率,有助于设计师在优化特性和性能的同时实现业务关键型上市时间目标.
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