高性能时钟产品趋势漫谈

王　莹

摘要：当前，时钟产品的推出速度越来越快，时钟需要满足的标准也在不断发展，时钟需要更高的性能、更高的精度，系统尺寸也需要越来越小，在存储、通信与网络、上网本、开关稳压器的相位同步、FPGA等方面的应用成为热门。

关键词：时钟；计时；抖动；EMI削减；可编程

钟表就像电子系统中跳动的心脏。随着通信和网络、企业服务器和存储设备、消费电子、医疗电子、汽车设备、办公及家庭解决方案的兴起，系统计时便成为一个重要的话题。近日，《电子产品世界》采访了部分顶尖时钟产品厂商，请他们介绍了时钟产品的趋势。

时钟面临的挑战

首先，新产品推介的速度越来越快。Cypress时序解决方案业务部高级主管Sudhir Gopalswamy说：“在各种应用领域里面，我们可以看到整个新产品向市场推广的进度变得越来越快。”以中国的两个蓬勃发展的应用产业来说，数字电视产业以前可能需要两年的时间，现在缩短到不到六个月；同样，通信领域的系统设备的整体推出时间也大大缩短。

其次，标准在发展。SiliconLaboratories时序产品高级产品营销经理James Wilson指出，随着硬件设计在互联网、无线／射频传输、广播视频、测试测量等高性能应用中变得越来越复杂，硬件设计人员在一项单一的硬件设计中，做到支持越来越多的标准、协议和规格。例如正在设计中的最新互联网设备，不仅需要支持同步光纤网标准、同步数字系列标准和以太网，还需要支持高清晰度视频传输。下一代无线基础设备正在设计当中，需要同时支持宽带无线接入技术和长期演进技术。因此，“对于我们的客户来说，在不降低性能或成本的情况下，设计出最有效率的时序产品是一个重大的挑战。”

高性能的需求。安森美半导体数字及混合信号产品部策划市场经理白国能说，随着电子系统的数据率越来越高，高速数字信号的质量与输入时钟紧密相关，故需要高性能时钟。高性能及高精度时钟最讲究频率抖动性能，其次就是需要顾及温度稳定性和功耗问题。

高精度。Gartner公司首席研究分析师Sergis Mushell指出：“在通信和数据处理应用领域，对高性能时序Ic日益增长的市场需求的关键在于对于更高精度的需求。可编程时钟为工程师提供了高度的设计灵活性，能充分满足通信和数据处理领域内多种应用的要求。”为此，Cypress于今年6月16日推出了可编程系列—FleXO，它可即时生成从50到650MHz之间的任意频率，其中包括通常用来优化FPGA或ASIC性能的非标准频率。设计人员能通过简单的引脚选择或12C编程来调节FleXO时钟的输出频率，以便在整个硬件平台系列上使用单一器件。FleXO时钟发生器还支持频率容限功能，这样设计人员就能以0.2ppm的精度调节时钟频率，从而测试系统在各种潜在频率波动情况下的稳健性。

系统尺寸需求越来越小。主要满足便携式产品的需求。今年7月17日，Intersil发布小而薄的实时时钟器件—ISLl2057／8／9，定位低电压和便携式应用，号称比普通产品方案小73％，厚度小45％，简化了电表、多功能打印机、数码相框和许多其他设备的设计，使系统成本降低。

高性能时钟的发展趋势

Cypress的Sudhir总结高性能时钟的主要特点如下。

·性能：高频、低抖动、低相位噪声。

·可编程性：可根据客户不同的需求，快速修改设计，在很短的时间内帮助实现客户需求。例如Cypress的FleXO时钟发生器采用了可编程锁相环(pLL)技术，相对于昂贵且不灵活的SAW(表面声波滤波器)振荡器和泛音晶体振荡器而言，不失为一种良好的替代方案。

·EMI削减：可以帮助降低EMI。

·系统成本降低：主要通过提高集成度，可以把整个系统里面的元器件个数降低，进而把整个系统的成本降低。

·广阔的产品组合：即产品系列非常全，某类设计里需要用到的时钟产品尽可能在一家公司里全部找到。

·广阔的标准配置，可以为客户提供多种配置，例如可用于晶体外置(合成器和VCO型)，也可以晶体内置(xO，VCXO或支持频率容限功能的XO型)。

SiTime市场行销副总裁PiyushSevaiia则指出了具体指标：

·高频(>100MHz)；

·计时抖动非常小，<2psRMS(均方根)相位抖动；

·差分信号—LVDS，LVPECL，HCSL；

·在不影响性能的情况下，支持采用低电压(1.8V)实现低功耗；

·可编程实现定制各种频率，从而实现性能的最优化。例如，虽然10千兆位以太网要求采用156.25 MHz的频率，但在某些应用中，为了提高性能和减小位错，经常用到的是156.25391 MHz的时钟。

热门应用

据SiTime介绍，目前，许多应用都需要性能非常高的时钟，这些时钟要具有高的频率、良好的稳定性和超低的计时抖动，其中包括如下方面。

·存储应用：

工作频率为15OMHz的SATA时钟：

工作频率为106.25 MHz或212.5MHz光纤通信时钟；

250 MHz或s00 MHz USB接口；

98.304 MHz Hrewire高速数据传输接口。

·以太网应用：

125 MHz千兆位以太网：

156.25 MHz或312.5 MHz 10千兆位以太网。

·频率要求为155.52 MHz的各种无源光网络(PON)应用。

其他受访厂家则详细介绍了通信和网络、电源、上网本和FPGA或ASIC应用。

1，通信和网络

ADI高级产品经理Jeff Keip说，通信基础设施市场对时钟性能的要求特别高，而网络终端市场的性能需求也在向同一水平靠拢。这两个市场还对保持和冗余参考支持等特性青睐有加，以便最大限度地提高系统的正常运行时间。因此，极低的抖动和相位噪声是关键技术指标。对于网络应用，抖动超过指定带宽(例如12kHz-20MHz，S0kHz～80MHz)，而对于基站，客户所关注的是非常宽的带外噪声／抖动性能。在网络应用中，保持和切换等特性是将系统停机时间保持在最低限度所必需的。在无线通信中，这些特性也有用，尽管不是最关键的。

Maxim时钟产品线总监IchiroYamada具体介绍了无线基站中的应用：用于同步通信系统、无线基站、SONET／SDH、路由器的低噪声、高频时钟是近期市场的应用热点。中国和印度都在积极推进2G、3G手机基站和用于站间通信的点对点无线链路，

虽然许多厂商已经瞄准LTE和WiMax市场，但GSM仍然保持其主流地位。

无线基站是同步系统，需要抖动抑制功能以便为终端电路提供稳定的时钟。基带单元与射频单元之间的串行通信要求抖动低于1ps的时钟，此外，射频单元还需要稳定的时钟驱动高速ADC和DAC，基于电流LCVCO(Lc压控振荡器)的PLL时钟具有稳定的时域特性(低抖动)，当然，为了改善频域的噪声(SSB相位噪声)指标还需要相应的改进措施。

同步以太网(syncE)在基站中的应用非常普遍，无线基站网络采用传统的T1／E1。为了降低运行成本，运营商正在将TDM网络转移到包交换网络。考虑到无线基站系统是一个同步通信系统，需要对IP数据传输进行同步。IEEEl588是支持IP同步的标准之一。对于SyncE时钟设备，抖动抑制、时钟保持、无缝切换参考时钟、频率转换等都是设计中需要特别关注的因素。

这些热点应用对时钟提出了许多特定的技术要求。例如，无线RF应用中，相位噪声是最重要的指标之一，晶体振荡器能够满足这一指标要求，但许多开发商已经开始采用高Q值LCVCO和SAW技术。高度稳定的低频VCXO+PLL(压控晶振+锁相环)倍频对于SyncE线卡是一个经济实用的选择，非常适合背板时钟、PHY时钟转换、从背板时钟产生PHY考时钟等应用。

这类应用中需要谨慎设计VCX0保持尽可能低的频率温漂，并使PLL倍频时钟的抖动低于1psRMS。另外，高速串行通信链路还要求时钟发生器具有较高的电源噪声抑制比。电源、高速开关器件(ASIC、FPGA、存储器等)的噪声会注入到PLL，影响抖动指标，因此，较高的电源噪声抑制比是PLL时钟发生器设计所面临的另一挑战。

2，上网本的计时

目前在中国，时钟的一个热点是上网本。“由于上网本基于传统的PC芯片组(Intel和AMD)，以及一些移动处理器芯片(Freescale)，与这些供应商的关系的关键是了解上网本的必要条件。”IDT中国区总经理IDT公司黄黎明说：“IDT与PC芯片组供应商保持了多年的合作关系，在每一代参考设计上与之紧密合作，所以IDT能第一个了解上网本平台的计时要求。由于是相对较新的PC型应用，在支持Freescale的上网本方面，不同的客户对其项目的计时要求并不确定。IDT的VersaclockⅢ可编程时钟产品线是这些项目的较好选择，因为它们在客户的板上是完全可编程的，如果必要的话，可以重新编程，使客户能够立即做到根据系统计时需求完全自由地配置时钟。在上网本的具体技术要求方面，功耗对于延长电池寿命来说非常重要。IDT与许多上网本客户紧密合作，创建特殊功能将电池寿命延长15％以上。”

3，开关稳压器的相位同步

随着电子装置越来越多地渗透到日常生活，如何确保它们之间不产生相互干扰成为了人们着重关注的焦点。但这一走势与另一个发展趋势完全背道而驰：由于对能量效率的要求日益提高，因此越来越多的电子产品在设计时采用了开关稳压器(而不是线性稳压器)。随着稳压器数目的增加，EMI(电磁干扰)的影响也在加大。为了解决这些问题，设计师正在使用多相、扩频时钟。

“对于那些采用多个开关稳压器的系统，相位同步是一种定时方法，用于踌躇于每个开关电源的接通操作，这样，在先前是一个死区的地方将存在输入电流。”凌力尔特公司信号调理产品部产品市场工程师Greg zimmer介绍说，这将产生诸多的好处：

·与同相同步相比，多个开关电源的异相同步具有较低的峰值电流(EMI因而较低)。

·相位同步增加了产生EMI的频率。这将使EMI下降，原因是滤波处理在较高的频率条件下更加有效。

·当采用多个并联稳压器来替代单个稳压器时，相位同步提供了额外的好处：

a，有效地消除了输入和输出端上的纹波电流，从而显著地减少了输入和输出电容器。

b，需要一个较小的等效电感，因而提供了一个较高的电流转换速率。

扩频调制(sSFM)指的是一种用于连续改变开关稳压器时钟频率的方法。该方法可确保不允许发射能量在任何接收器的频带中停留很长的时间。为此，实现相位同步需要具备从单个时钟信号来准确地产生多个相位的能力。实现开关稳压器的有效SSFM取决于4个主要因素：受影响接收器的带宽、频率调制的方法、扩频量和调制速率，凌力尔特都有完善的解决方案。

4，FPGA或ASIC中的应用

Cypress的Sudhir介绍说，可编程时钟诸如FleXO系列可生成无标准频率，从而优化FPGA或ASIC的性能。在实际调试过程中，频率适当地提快或放慢一点儿，都会对整个系统的性能有很大的提高。尤其是在通信设备里，一个6U甚至更大的机箱，时钟信号需要经过不同的板卡，因此会产生时钟信号的延迟，即时延。因此，在不同PCB(印制电路板)上传输时时钟是易变的。但信号是需要同步的、尽管不同板之间的信号时延是设计者难以控制的。有了可编程时钟器件。设计者就可以在系统联调时做一些微调，这样就把原来需要用的一些其他方式(比如每过一个板子，后面的信号都要去进行一次同步)省掉了，使眼图和误码率最终满足要求。

时钟供应商的竞争优势

Maxim：拥有自己的晶圆厂和安装、测试工厂，并在近期开发出了新的高速集成工艺和高精度仿真模块。

凌力尔特：器件具有简单、紧凑、低功率和坚固的特点，并为晶体或陶瓷谐振器提供了一种真正的替代方案。

安森美：所有的产品都使用从输入到输出方面完全差异化的设计。例如，NBXxxxx高性能单频和双频PureEdge时钟模块系列非常适合高速网络、电信和高端计算等应用。

ADI：专注于数据转换器时钟。在整数和分数N分频锁相环技术方面均已拥有强大的专业技术，加上领先的DDS技术，被用于数字锁相环频率合成解决方案。

lDT：时钟产品是IDT的战略重点，而不是一个辅助产品线。IDT并不提供现成的解决方案，而是与客户紧密合作，创建针对其系统的良好解决方案。

Sitime：1)通过采用Frac-N PLL分数分频锁相环路技术，可最大程度也实现频率定制编程。2)采用了基于MEMS(微机电系统)技术的解决方案。

Sillcon Labs：高性能时钟为下一代多速率线路卡提供了一个高度集成的、具有成本效益的抖动衰减的解决方案，支持大量的客户端和线路方面的接口。