典型的系統(tǒng)設計最初側重于微控制器(MCU),CPU,存儲器和I/O組件和架構,稍后將重點介紹如何提供系統(tǒng)所需的各種時鐘.復雜的系統(tǒng)最終可能需要10個或更多時鐘.考慮到分立諧振器,晶體振蕩器,扇出緩沖器,時鐘發(fā)生器和其他定時器件選項的選擇,提供所有這些頻率的最佳方法是什么?通過將時序需求整合到硅時鐘發(fā)生器組件中,可以降低電路板空間和系統(tǒng)成本.但這種方法總是有意義的,在電路板面積,成本,系統(tǒng)時序裕度,噪聲抗擾度和電磁干擾(EMI)方面的系統(tǒng)權衡是什么?
典型的系統(tǒng)設計:
假設您已完成系統(tǒng)的架構并選擇了關鍵組件.它與現(xiàn)實世界接口,因此至少有一個放大器,A/D或D/A,某種類型的人機接口,MCU和/或DSP,存儲器,無線和/或有線互聯(lián)網(wǎng)連接以及相關的電源管理(見圖1).模擬的上電和斷電序列,信噪比,計算速度,存儲器帶寬和功耗均符合規(guī)范.您幾乎已準備好進行電路板布局以模擬布局寄生效應并確保它們不會中斷性能.您還計劃遵循布局指南以最大限度地降低EMI,但由于難以建模,您仍然需要克服系統(tǒng)在EMI測試期間通過FCC規(guī)則限制.

圖1.需要頻率源選擇的典型系統(tǒng)設計

系統(tǒng)頻率規(guī)劃:
進入布局之前的最后一步是選擇所有組件的頻率參考.有些器件只有一個需要外部振蕩器的Clock-IN引腳,有些器件可以與外部時鐘或晶振一起工作.一個關于嘗試在先前設計中的特定溫度和電壓角調試石英晶體振蕩器啟動問題的故事.當與特定晶體和負載一起使用時,最終證明晶體振蕩器增益不足.你肯定想避免這個問題！此外,質量保證團隊警告晶體的機械不可靠性.您需要計算所需的頻率,總共八個,A/D,D/A,MCU,內存,LAN和WLAN組件各一個,DSP/SOC兩個.如果您可以從單個時鐘發(fā)生器生成所有這些頻率并將它們路由到各種組件,則可以節(jié)省大量的面積和組件成本,并通過使用單晶來提高可靠性.但系統(tǒng)還能運作嗎?時鐘發(fā)生器能否提供每個組件所需的頻率和信號質量,以及可能出現(xiàn)的其他優(yōu)點或缺點?
如果你曾經(jīng)歷過這種不確定性,那么你并不孤單.每個盡責的系統(tǒng)設計師都會在嘗試以最低的總成本(包括元件數(shù)量,面積,可制造性和可靠性)優(yōu)化頻率生成性能時詢問.雖然每個系統(tǒng)都不同,但請考慮以下有用的指導方針來做出決定.
頻率發(fā)生器基礎知識:
為了理解將頻率源合并到時鐘發(fā)生器中的權衡,我們需要了解替代源的優(yōu)點和局限性,如圖2所示.

圖2.頻率源的類型

離散諧振器:
分立諧振器被設計成與半導體增益電路一起工作,該半導體增益電路連接到諧振器的兩個端子.增益電路的輸出最初是其輸入端的放大噪聲.諧振器材料的壓電和物理特性允許振動諧振器用作電子濾波器,將其通帶中的頻率分量傳遞回放大器的輸入端.在環(huán)路增益>1且相位為360度的通帶頻率下,諧振器開始振蕩,在放大器輸出端產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率源.
可用的兩種最常見的分立諧振器是陶瓷(通常由鉛-鋯-鈦或PZT)諧振器和石英水晶振子(由二氧化硅或SiO2制成)諧振器.主要區(qū)別在于陶瓷諧振器成本更低且精度更低,初始精度>5000ppm,并且隨溫度和老化而顯著漂移(在商業(yè)應用中各約為2000ppm).晶體諧振器更精確,精度<50ppm,包括AT切割晶體的溫度和老化.某些ASIC也使用晶體諧振器,這些ASIC設計用于改變引腳上的電容,以控制頻率的微小偏差(<+/-150ppm),作為壓控晶體振蕩器(VCXO).
離散諧振器的主要缺點之一是確保增益電路,石英晶振和電路板布局(均來自不同制造商)正確匹配所需的工作量和開發(fā)時間.該分析包括驗證可靠的啟動和溫度,過程和電壓的準確性.此外,分析需要確保晶體不會過度驅動,這會加速老化.此外,外部信號的較低幅度和正弦波形導致信號邊緣較慢,這使得分立諧振器對外部噪聲更敏感.分立諧振器的優(yōu)點包括出色的近端相位噪聲,諧振頻率的KHz內的噪聲和低功耗.
離散振蕩器:
分立振蕩器將上述半導體放大器與諧振器組合在同一封裝中.晶體諧振器是最常見的諧振器類型,盡管有時使用表面聲波(SAW)諧振器和最近的微機電系統(tǒng)(MEMS)諧振器.SAW諧振器工作在更高的頻率(>400MHz),MEMS諧振器提供類似于晶體的性能,具有更小和更耐沖擊的優(yōu)點.
分立振蕩器的一個關鍵優(yōu)勢是放大器,諧振器和連接電容可以在工廠匹配,以確?？煽康膯雍皖l率精度,與電路板布局無關.當然,與分立諧振器相比,這會增加元件成本,面積和功耗.由于大多數(shù)振蕩器僅產(chǎn)生一個頻率,因此在需要時將頻率合并到一個或兩個時鐘發(fā)生器中通常可以更好地服務于需要多個頻率的系統(tǒng).
時鐘發(fā)生器:
時鐘發(fā)生器或有時稱為頻率發(fā)生器的振蕩器將振蕩器與一個或多個鎖相環(huán)(PLL),輸出分頻器和輸出緩沖器組合在一起.在大多數(shù)情況下,諧振器是外部的,但業(yè)界有一種趨勢,即將諧振器包括在時鐘發(fā)生器封裝內,以消除上面概述的分立諧振器的缺點.然而,即使諧振器是外部的,由于時鐘發(fā)生器僅需要一個參考來產(chǎn)生所有其他頻率,因此大大減少了匹配諧振器,放大器和電路板布局所需的工作量.此外,最小化分立諧振器的數(shù)量將提高系統(tǒng)的堅固性和可靠性.
將頻率合并到時鐘發(fā)生器中的優(yōu)點很多.除了上面提到的減少的晶振匹配工作和改進的可靠性之外,高級時鐘發(fā)生器通常還提供多種有益于系統(tǒng)性能的功能.輸出頻率可以實時更改,這在系統(tǒng)必須適應全球各種標準(例如PAL與NTSC),以適應最終用戶的系統(tǒng)變化(例如連接不同的視頻監(jiān)視器)或適應用于確保供應的BOM更改(例如,支持來自兩個具有不同采樣率的供應商的音頻DAC).在系統(tǒng)驗證或生產(chǎn)測試期間,系統(tǒng)時鐘頻率也可以稍微變化以確保足夠的時序裕度,并且可以采用擴頻時鐘來降低EMI抑制的成本.
有許多不同類型的時鐘發(fā)生器,每個都針對不同的性能和成本目標進行了優(yōu)化.這些差異包括:
•基于環(huán)形振蕩器與LC振蕩器的PLL.(環(huán)形振蕩器PLL通常提供更低的成本,功耗和性能,而LC振蕩器PLL以更高的成本和功耗為代價提供更高的性能.)
•單端CMOS輸出,用于最小功率與差分晶振輸出,如LVPECL,LVDS和HCSL,可以降低耦合噪聲,但代價是功耗更高.
•在晶體振蕩器上加入自動增益控制,以最大限度地提高啟動增益,然后降低增益,最大限度地降低晶體功耗和相關老化,而低成本的逆變器振蕩器則帶有內部或外部功率限制電阻.
•串行通信接口與預編程頻率和引腳可選功能的可用性.
•較小封裝中的輸出數(shù)量較少,較大封裝中的輸出數(shù)量較多.
•允許混合電壓電源驅動不同的輸出電壓電壓而不是單電源電壓.
瀏覽各種可用的時鐘發(fā)生器并嘗試將它們與您的系統(tǒng)要求相匹配可能是一項艱巨的任務.因此,強烈建議與時鐘供應商合作,該供應商提供大量可用時鐘發(fā)生器,以確保最佳解決方案.只有幾家半導體公司提供全面的時鐘發(fā)生器產(chǎn)品組合,SiliconLabs就是其中之一.
為您的系統(tǒng)選擇合適的頻率源:
以下決策樹將有助于縮小頻率源選擇范圍,并制定最佳計劃,以最大限度地減少系統(tǒng)中的頻率源組件和相關成本.
標準1:如果系統(tǒng)只需要一個或兩個<50MHz的頻率,則離散晶體或是振蕩器成本最低的解決方案.如果頻率>50MHz,或者需要多個副本或頻率的特殊控制,那么扇出緩沖器或時鐘發(fā)生器將提供更低成本的解決方案.特殊功能包括在系統(tǒng)運行或測試期間改變頻率以及用于降低EMI的擴頻技術.
標準2:如果系統(tǒng)中有組件可以提取離散晶體的頻率,那么離散晶體是您唯一的選擇.確保使用ASIC供應商推薦的產(chǎn)品或與其指定的詳細晶體參數(shù)匹配的產(chǎn)品.
標準3:如果系統(tǒng)中的組件需要在溫度和電壓范圍內具有極其精確的時鐘(<20ppm),則需要外部振蕩器,如溫度控制晶體振蕩器(TCXO).如果您的系統(tǒng)除了一個高精度頻率外還需要頻率,TCXO通?？梢杂米鲿r鐘發(fā)生器的參考,以節(jié)省成本.必須注意使溫補晶振信號電平與時鐘發(fā)生器輸入電平相匹配,并將耦合噪聲降至主TCXO信號路徑.
標準4:需要具有特定相位噪聲要求的頻率(通常用于無線通信參考)的組件通常需要來自晶體振蕩器或基于LC的頻率發(fā)生器,如圖3所示.由于成本較低的基于環(huán)的時鐘發(fā)生器通常使用石英晶振作為參考,大多數(shù)時鐘發(fā)生器直接輸出該頻率(不通過PLL)以提供低相位噪聲信號.但是,如果同一時鐘發(fā)生器正在生成具有不同頻率的多個輸出,請務必檢查參考頻率輸出頻譜中的雜散內容,以確保它不會干擾或混淆相鄰的無線信道.支線位置將根據(jù)生成頻率的組合而改變.如果雜散電平或位置與應用程序不兼容,將一些時鐘生成移動到第二個時鐘發(fā)生器可能會解決問題.否則,需要分立諧振器或分立振蕩器.

圖3.時鐘發(fā)生器晶體振蕩器參考與CMOS環(huán)形PLL輸出

標準5:需要具有嚴格“rms抖動”要求的參考頻率的Oscillator也可由時鐘發(fā)生器提供.這是高速數(shù)字通信系統(tǒng)的通用規(guī)范.抖動是時鐘邊沿相對于“完美”時鐘信號的不確定性或誤差,均方根相位抖動是特定頻帶上相位噪聲的積分(見圖4).一種非常常見的rms抖動規(guī)范源于Sonet數(shù)據(jù)傳輸應用,并且在12KHz至20MHz頻帶上指定為<1psrms.由于該標準已經(jīng)存在了幾十年,許多半導體元件將其指定為默認的抖動限制,而不實際計算真正的系統(tǒng)抖動要求.

圖4.使能和不使用附加頻率輸出的LCVCOPLL

表1總結了各種頻率源的優(yōu)缺點.
表1.頻率源的優(yōu)點和局限

頻率源和應用	優(yōu)勢	限制
陶瓷諧振器低精度數(shù)字時鐘	成本低(除非需要很多)	精度低,5000-20,000ppm 高溫變化,+/-3000ppm 固定頻率,<10MHz
水晶諧振器中等精度數(shù)字時鐘射頻參考	需要1或2時的低成本低電量一些SoC需要集成的VCXO	努力與放大器匹配布局敏感準確,啟動固定頻率,<50MHz 外部噪音敏感對沖擊敏感
晶體振蕩器高精度數(shù)字時鐘射頻參考	可靠的啟動準確性對布局不敏感單頻(無串擾)	如果需要>1則成本更高更高功率>3mA 如果需要>1,則板面積單頻復制 >100MHz時價格昂貴
扇出緩沖區(qū) 同一頻率的多個副本	多頻復制級別翻譯同步輸出	如果頻率不同,則需要輸入頻率源串擾
時鐘發(fā)生器,CMOS環(huán)形PLL 所有數(shù)字時鐘需要>2個頻率的系統(tǒng), >50MHz,可選擇或傳播頻率 >50ps最大抖動	>2頻率的最低成本可靠性(更少的晶體) 可選頻率最小面積和組件數(shù) >50MHz頻率擴頻用于降低EMI 多頻復制	如果多次發(fā)生頻率則會產(chǎn)生串擾
時鐘發(fā)生器,LCVCOPLL 需要>2個頻率的系統(tǒng), >100MHz,可選頻率高速收發(fā)器, 射頻參考或采樣 <1psrms抖動	>2頻率的中等成本可靠性(更少的晶體) 可選頻率最小面積和組件數(shù) >50MHz頻率多頻復制	更高的功率如果存在多個頻率,則會產(chǎn)生串擾

利用多個頻率生成源,可以在保持優(yōu)異系統(tǒng)性能的同時優(yōu)化系統(tǒng)時鐘要求,降低總體成本.在一些情況下,僅需要無源諧振器,而在系統(tǒng)中,尤其是那些需要兩個或更多頻率的石英晶振,無源諧振器最好由硅定時器件代替,例如時鐘發(fā)生器和扇出緩沖器.除了降低頻率生成和EMI抑制成本之外,硅頻率發(fā)生器還提供了額外的BOM固結,系統(tǒng)可配置性和測試能力.

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此文關鍵字：微控制器晶振晶體振蕩器系統(tǒng)設計晶振頻率源布局

頻率源和應用	優(yōu)勢	限制
陶瓷諧振器低精度數(shù)字時鐘	成本低(除非需要很多)	精度低,5000-20,000ppm 高溫變化,+/-3000ppm 固定頻率,<10MHz
水晶諧振器中等精度數(shù)字時鐘射頻參考	需要1或2時的低成本低電量一些SoC需要集成的VCXO	努力與放大器匹配布局敏感準確,啟動固定頻率,<50MHz 外部噪音敏感對沖擊敏感
晶體振蕩器高精度數(shù)字時鐘射頻參考	可靠的啟動準確性對布局不敏感單頻(無串擾)	如果需要>1則成本更高更高功率>3mA 如果需要>1,則板面積單頻復制 >100MHz時價格昂貴
扇出緩沖區(qū) 同一頻率的多個副本	多頻復制級別翻譯同步輸出	如果頻率不同,則需要輸入頻率源串擾
時鐘發(fā)生器,CMOS環(huán)形PLL 所有數(shù)字時鐘需要>2個頻率的系統(tǒng), >50MHz,可選擇或傳播頻率 >50ps最大抖動	>2頻率的最低成本可靠性(更少的晶體) 可選頻率最小面積和組件數(shù) >50MHz頻率擴頻用于降低EMI 多頻復制	如果多次發(fā)生頻率則會產(chǎn)生串擾
時鐘發(fā)生器,LCVCOPLL 需要>2個頻率的系統(tǒng), >100MHz,可選頻率高速收發(fā)器, 射頻參考或采樣 <1psrms抖動	>2頻率的中等成本可靠性(更少的晶體) 可選頻率最小面積和組件數(shù) >50MHz頻率多頻復制	更高的功率如果存在多個頻率,則會產(chǎn)生串擾

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