精準(zhǔn)、靈活、小巧的可編程時(shí)鐘發(fā)生器，你用過(guò)嗎？

提到電子設(shè)備的“心臟”，很多人會(huì)不約而同地想到時(shí)鐘芯片，因?yàn)槠渥饔镁褪腔谝粋€(gè)參考頻率源（如石英晶體或單端或差分時(shí)鐘），產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的節(jié)拍鐘振信號(hào)，就像是人的心臟一樣有節(jié)律地“跳動(dòng)”，以確保系統(tǒng)中各個(gè)功能模塊都能夠以此為基礎(chǔ)穩(wěn)定運(yùn)行并互相協(xié)同。

從更嚴(yán)格的定義上看，時(shí)鐘芯片就是在電子系統(tǒng)中生成、調(diào)節(jié)、操縱、分配或控制計(jì)時(shí)信號(hào)的集成電路，其核心的作用有兩點(diǎn)：一是生成準(zhǔn)確的時(shí)鐘脈沖信號(hào)，二是持續(xù)可靠地分發(fā)該信號(hào)供系統(tǒng)內(nèi)的各種計(jì)時(shí)設(shè)備使用。可以想見(jiàn)，隨著當(dāng)今電子系統(tǒng)運(yùn)行速度越來(lái)越快，運(yùn)行的環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，時(shí)鐘芯片面臨的設(shè)計(jì)和應(yīng)用挑戰(zhàn)也會(huì)越來(lái)越大。

時(shí)鐘發(fā)生器的選型

時(shí)鐘發(fā)生器是一種常見(jiàn)的時(shí)鐘芯片，顧名思義，它扮演的角色就是產(chǎn)生同步系統(tǒng)操作所需的計(jì)時(shí)信號(hào)。最基本的時(shí)鐘發(fā)生器由諧振電路和放大器組成，被廣泛地應(yīng)用在各類(lèi)電子和信息通信產(chǎn)品中。諧振電路通常是一塊石英壓電振蕩器，也可以使用簡(jiǎn)單的儲(chǔ)能電路甚至是RC電路；將諧振電路產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)通過(guò)頻率倍增器、分頻器和混頻器的處理以產(chǎn)生所需的輸出時(shí)鐘信號(hào)，這個(gè)過(guò)程也被稱(chēng)為頻率合成或時(shí)鐘合成。

由于是為整個(gè)系統(tǒng)提供一個(gè)頻率基準(zhǔn)，因此電子電路對(duì)于時(shí)鐘發(fā)生器這個(gè)頻率源的頻率穩(wěn)定度、頻譜純度、頻率范圍等的要求自然是容不得半點(diǎn)馬虎。具體來(lái)講，衡量時(shí)鐘發(fā)生器性能的優(yōu)劣，主要有以下一些關(guān)鍵指標(biāo)：

時(shí)鐘抖動(dòng)

這是用于測(cè)量時(shí)鐘在時(shí)間域或頻率域內(nèi)與理想信號(hào)之間誤差量的一個(gè)指標(biāo)，也是反映時(shí)鐘信號(hào)質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。

頻率范圍

不同的時(shí)鐘發(fā)生器會(huì)根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用的頻率要求進(jìn)行優(yōu)化，有些器件會(huì)注重支持較寬的頻率，而有些則強(qiáng)調(diào)在特定應(yīng)用的窄頻率范圍內(nèi)提供更高的性能。

輸入和輸出信號(hào)類(lèi)型

每個(gè)時(shí)鐘信號(hào)都需要一個(gè)明確定義的高/低電壓和上升/下降時(shí)間，由此也就定義了符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的不同“信號(hào)類(lèi)型”，包括LVCMOS、LVDS、LVPECL、HCSL等。有些時(shí)鐘發(fā)生器支持固定的信號(hào)類(lèi)型，而有些則可支持多種類(lèi)型。

電源電壓

即器件工作所需的電壓。一般來(lái)講，較低的電源電壓對(duì)應(yīng)著更低的功率損耗。在不犧牲性能的情況下盡可能節(jié)省功率，自然是理想時(shí)鐘發(fā)生器所追求的目標(biāo)。

集成度

像其他芯片一樣，在滿(mǎn)足系統(tǒng)要求的同時(shí)使用盡可能少的元器件，這一趨勢(shì)也在推動(dòng)時(shí)鐘發(fā)生器向著更高的集成度發(fā)展。

靈活的可編程時(shí)鐘發(fā)生器

值得關(guān)注的是，隨著應(yīng)用的發(fā)展，時(shí)鐘發(fā)生器也面臨著新的挑戰(zhàn)。

首先，隨著電路復(fù)雜性的增加，如果要滿(mǎn)足電路中不同芯片和接口在時(shí)鐘信號(hào)方面的要求，傳統(tǒng)的解決方案需要由多個(gè)分散的晶振提供支持，而這種方法很可能會(huì)引發(fā)多個(gè)時(shí)鐘源相互之間的干擾，影響系統(tǒng)的性能。

其次，面對(duì)更復(fù)雜的系統(tǒng)、更多樣化的設(shè)計(jì)需求，開(kāi)發(fā)者需要選用不同的時(shí)鐘源器件，這無(wú)疑會(huì)增加整個(gè)研發(fā)的工作量和BOM的復(fù)雜度，對(duì)于優(yōu)化產(chǎn)品生命周期中的研發(fā)和庫(kù)存管理成本顯然是不利的。

為了解決這些“痛點(diǎn)”，一種更加靈活的“可編程時(shí)鐘發(fā)生器”就應(yīng)運(yùn)而生了。大家知道，很多時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器采用的是鎖相環(huán)時(shí)鐘（PLL時(shí)鐘）架構(gòu)，其通過(guò)用于比較輸入相位并調(diào)整振蕩器頻率的PLL，保持相匹配的相位。所謂可編程時(shí)鐘發(fā)生器就是通過(guò)改變電路中倍增器或分頻器的參數(shù)來(lái)定義具有不同輸出頻率的時(shí)鐘信號(hào)，也就是說(shuō)無(wú)需修改硬件，即可從相同的輸入頻率產(chǎn)生不同的輸出頻率，這自然是為開(kāi)發(fā)者提供了一種極具靈活性和可擴(kuò)展性的解決方案。而且很多可編程時(shí)鐘發(fā)生器還支持同一個(gè)器件輸出多路時(shí)鐘信號(hào)，這對(duì)于節(jié)省系統(tǒng)空間、實(shí)現(xiàn)更緊湊的設(shè)計(jì)也是大有裨益的。

總而言之，可編程時(shí)鐘發(fā)生器可通過(guò)取代分立的晶體、振蕩器等時(shí)鐘元件節(jié)省電路板空間和成本，也為消費(fèi)電子、數(shù)據(jù)通信、電信和計(jì)算等應(yīng)用的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)帶來(lái)極大的靈活性，因此成為了一個(gè)頗受關(guān)注的時(shí)鐘芯片門(mén)類(lèi)。

高性能、低功耗可編程時(shí)鐘發(fā)生器

正是認(rèn)識(shí)到了可編程時(shí)鐘發(fā)生器的獨(dú)特價(jià)值，Renesas Electronics在這個(gè)領(lǐng)域一直深耕不輟，根據(jù)實(shí)際的目標(biāo)應(yīng)用，開(kāi)發(fā)出了具有高性能、低功耗、微型封裝等不同特性的可編程時(shí)鐘發(fā)生器產(chǎn)品。

其中，VersaClock??系列就是很有代表性的一個(gè)產(chǎn)品家族，目前已經(jīng)發(fā)展出了20多個(gè)可編程時(shí)鐘發(fā)生器產(chǎn)品組合，支持1.8V至3.3V的工作電壓，具有差（LVPECL/HCSL/LVSS/LPHCSL）和LVCMOS多樣化的輸出類(lèi)型，集成最多3個(gè)PLL和多個(gè)分?jǐn)?shù)分頻器，以準(zhǔn)確生成所需的頻率信號(hào)，為用戶(hù)提供兼具低功耗、靈活性和高性能的解決方案，非常適合用于消費(fèi)類(lèi)、電信、數(shù)據(jù)通信和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

圖1：VersaClock系列主要產(chǎn)品

（圖源：Renesas Electronics）

具體來(lái)講，VersaClock系列產(chǎn)品包括VersaClock 7、VersaClock 6、VersaClock 5、VersaClock 3S等幾個(gè)子系列，產(chǎn)品定義主要是從低功耗、低抖動(dòng)兩個(gè)方向上進(jìn)行布局（見(jiàn)圖1）。

VersaClock 3S產(chǎn)品低功耗特性出眾，能夠在節(jié)省PCB空間的同時(shí)提供出色的節(jié)能表現(xiàn)，可滿(mǎn)足包括PCI Express Gen 1/2/3標(biāo)準(zhǔn)在內(nèi)的廣泛應(yīng)用的需求。

VersaClock 5為低功耗、高性能應(yīng)用提供0.7ps的相位抖動(dòng)（12kHz至20MHz頻率范圍內(nèi)），以及在單個(gè)芯片上最多儲(chǔ)存和配置四種不同頻率信號(hào)的能力。同時(shí)，該時(shí)鐘發(fā)生器的工作核心功率仍低于100mW（比競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品低50%），低功耗表現(xiàn)也不俗。

VersaClock 6可編程時(shí)鐘發(fā)生器相對(duì)來(lái)講更偏重于高性能，其RMS相位抖動(dòng)低于500飛秒（fs），適用于10G以太網(wǎng)、PCI Express 1/2/3代標(biāo)準(zhǔn)、PHY參考時(shí)鐘和高端FPGA等對(duì)于抖動(dòng)和相位噪聲要求更為嚴(yán)苛的應(yīng)用。與此同時(shí)，其核心電流消耗仍控制在30mA，以盡可能降低系統(tǒng)的功耗。

VersaClock 7是VersaClock系列的新產(chǎn)品，適用于高階計(jì)算、有線(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施及數(shù)據(jù)中心設(shè)備的PCIe和以太網(wǎng)應(yīng)用。VersaClock 7產(chǎn)品包括5路、8路和12路輸出器件，12kHz至20MHz RMS抖動(dòng)低至150fs，在同系列產(chǎn)品中性能表現(xiàn)搶眼。其中，以8路輸出器件為例，其采用5mm x 5mm QFN封裝，比目前市場(chǎng)上同類(lèi)產(chǎn)品小30%，有助于開(kāi)發(fā)者實(shí)現(xiàn)更緊湊的設(shè)計(jì)；此外，該系列時(shí)鐘發(fā)生器還提供集成晶體選項(xiàng)，可進(jìn)一步節(jié)省系統(tǒng)空間并優(yōu)化BOM。

圖2：VersaClock 7可編程時(shí)鐘發(fā)生器

（圖源：Renesas Electronics）

VersaClock 7產(chǎn)品特性可以概括如下：

●   1.8V/2.5V/3.3V靈活電源軌

●   典型150fs RMS 12kHz-20MHz相位抖動(dòng)

●   5/8/12輸出，帶集成晶體選項(xiàng)

●   1kHz至650MHz LVDS/LP-HCSL輸出

●   LVCMOS輸出：1kHz至200MHz

●   可編程硬件配置選擇引腳

●   支持PCIe Gen5/6

●   節(jié)省空間的封裝：4mm x 4mm、5mm x 5mm、6mm x 6mm

●   集成晶體選項(xiàng)，用于節(jié)省空間和優(yōu)化BOM

圖3：VersaClock 7可編程時(shí)鐘發(fā)生器框圖

（圖源：Renesas Electronics）

圖4：VersaClock系列主要產(chǎn)品性能對(duì)比

（圖源：Renesas Electronics）

便捷的可編程開(kāi)發(fā)體驗(yàn)

為了方便開(kāi)發(fā)，Renesas還提供了VersaClock評(píng)估板，用于評(píng)估VersaClock時(shí)鐘發(fā)生器。該VersaClock評(píng)估板特性包括：

●   通過(guò)SMA實(shí)現(xiàn)晶體或晶體過(guò)驅(qū)動(dòng)（REFIN）

●   晶體過(guò)驅(qū)動(dòng)和CLKIN上提供檢測(cè)線(xiàn)路

●   板載I2C和SPI通信

●   四個(gè)GPI和五個(gè)GPIO

●   GPI/GPIO LED指示燈和DIP開(kāi)關(guān)

●   輸出上的測(cè)試點(diǎn)，用于Hi-Z探頭

●   跳線(xiàn)可選電壓設(shè)置，用于3.3V/2.5V/1.8V，由USB-C供電

圖5：VersaClock評(píng)估板

（圖源：Renesas Electronics）

而且，開(kāi)發(fā)者通過(guò)Renesas提供的全新RICBox應(yīng)用程序，可以很方便地配置VersaClock 7器件，在評(píng)估板上完成配置創(chuàng)建和器件編程。也就是說(shuō)，基于RICBox這個(gè)新推出的軟件平臺(tái)，客戶(hù)可以使用Python驅(qū)動(dòng)或Windows GUI來(lái)創(chuàng)建自定義配置，并對(duì)評(píng)估板上的VersaClock 7器件進(jìn)行編程，而無(wú)需相關(guān)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。而且，通過(guò)RICBox與Renesas的創(chuàng)新云端實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)無(wú)縫對(duì)接，用戶(hù)還可以下載自己創(chuàng)建的配置并在本地使用RICBox進(jìn)行操作，或者是將配置上傳至云端實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行性能分析。

總之，完整而易用的開(kāi)發(fā)資源使得VersaClock 7可編程時(shí)鐘發(fā)生器在性能、設(shè)計(jì)靈活性方面的優(yōu)勢(shì)得以充分發(fā)揮出來(lái)，為用戶(hù)提供了極為便捷的開(kāi)發(fā)體驗(yàn)。

本文小結(jié)

在電子系統(tǒng)中，時(shí)鐘元件是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行、精準(zhǔn)通信的基石。而隨著系統(tǒng)復(fù)雜性的增加，從一個(gè)或多個(gè)參考頻率中產(chǎn)生多種頻率的時(shí)鐘信號(hào)，且可以通過(guò)編程靈活配置輸出頻率的可編程時(shí)鐘發(fā)生器更是成為市場(chǎng)上的大熱門(mén)；而且伴隨著各種應(yīng)用不斷發(fā)展，對(duì)這種精準(zhǔn)、靈活、小巧的時(shí)鐘芯片的需求也日趨旺盛。

Renesas顯然已經(jīng)為此做足了準(zhǔn)備，通過(guò)不斷擴(kuò)充可編程時(shí)鐘產(chǎn)品組合、完善配套的設(shè)計(jì)資源，為開(kāi)發(fā)者提供更高性能、更大自由度的開(kāi)發(fā)體驗(yàn)。這樣的解決方案，你想不想也來(lái)嘗試一下？

來(lái)源：Mouser