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不同類型時鐘產品的特性及選擇時的注意事項

荷葉塘 ? 來源:電子發燒友網 ? 作者:程文智 ? 2021-09-06 07:18 ? 次閱讀

電子發燒友網報道(文/程文智)不論我們設計的電子產品是應用在云計算、無線LTE、數據中心,還是物聯網、汽車、醫療保健,或者是航空航天等領域,系統內必然需要時鐘產品的支持,時鐘產品就如人類的脈搏一樣,只有在時鐘的支持下,電子產品才能正常工作。

那么時鐘產品有哪些種類,它們分別有什么特性,工程師在選用的時候需要注意些什么呢,我們今天就來一起聊一聊。

時鐘產品的分類

時鐘產品主要分為兩大類,一類是異步時鐘產品,它的功能是給本地單板提供工作時鐘,包括晶振、時鐘發生器,及時鐘緩沖器等等;另一類是同步時鐘產品,它的功能是跟蹤上下游時鐘產生同步之后的時鐘給下游使用,它主要包括濾抖芯片、同步以太網(SyncE)和IEEE1588時鐘產品等。

具體一點來分的話,工程師常用的時鐘產品主要是六個大類:
一是振蕩器,包括MEMS振蕩器和石英振蕩器,TCXO、MCXO、OCXO、EMXO、VCXO
、VCSO都是石英振蕩器。值得一提的是MEMS振蕩器和石英振蕩器是有本質不同的。

二是時鐘生成器,主要是低抖動、低功耗的時鐘發生器。

三是時鐘分配器,它實際上是時鐘緩沖器,包括低附加抖動的各種各樣的緩沖器。詳細來看,有扇出緩沖器,零延時緩沖器,分頻器和多路開關等。

四是抖動衰減產品,這類主要用在網絡里,或者是上下游,進行時鐘濾抖的,比如抖動濾波,時鐘轉換等。

五是時鐘同步產品,包括同步以太網時鐘芯片和IEEE1588的時鐘芯片。

六是其他簡單的時鐘器件,包括555定時器,邏輯轉換器,交叉點開關,觸發器/邏輯門等等。

接下來我們來看一看這些不同類型的時鐘產品都有哪些特點,在選用不同類型的時鐘產品時,有哪些注意事項。

晶體振蕩器和MEMS振蕩器

振蕩器產品分為兩類,一類是傳統的石英晶體振蕩器,第二大類是MEMS振蕩器。

對于傳統的石英晶體振蕩器,它們通常是屬于模塊,而不是傳統意義上基于硅的芯片,MEMS振蕩器則是傳統意義上的芯片。為什么這么說呢?

對于傳統的石英晶體振蕩器,通常有晶體、XO、VCXO、TCXO、OCXO等幾種。

對于晶體而言,雖然它內部有振蕩電路,但是由于晶體是無源的,一般無法進行獨立振蕩,用戶通常需要在外面加上合適的電阻電容,構成外部諧振電路,才能讓它產生用戶需要的頻率。

XO或時鐘振蕩器是最基礎的振蕩器,由晶體和基本驅動電路組成,內部不但集成了諧振電路,還集成了驅動電路。因此,用戶只需要提供一個穩定的電源,就能產生所需要的頻點。但是由于沒有任何形式的補償,頻率穩定基本上是依靠晶體本身的特性。

VCXO,即壓控晶體振蕩器,它內部有一個VC的壓控端,用戶可以通過調整VC壓控端的電壓,從而讓VCXO成為了一個頻率可以微調的時鐘輸出。也就是說,它可以依賴石英晶體的特性,通過施加外部電壓來控制振蕩器的輸出頻率變化。

TCXO,即溫補晶體振蕩器,通過附加的溫度補償電路來補償因環境溫度變化而引起的振蕩器頻率變化。它的內部包含一個溫度補償電路,當外部環境溫度變化的時候,溫度補償電路會去補償因為溫度的變化造成的晶體頻率的偏差,從而產生一個相對穩定的頻率輸出。

但是,對于一些特殊的應用場合,TCXO仍然是不能滿足要求的,因此,另外一種產品應運而生了,那就是OCXO。

OCXO,即恒溫晶體振蕩器,它內部具有一個恒溫槽,恒溫槽會根據晶體不同的加工工藝,使恒溫槽保持在80~90℃的恒定范圍。也就是說諧振電路相當于工作在空調房內一樣,從而保證了諧振電路輸出頻率的相對穩定。

不論是無源的晶振還是有源的晶振,除了諧振電路之外,還需要一些輔助的電路,比如說溫度補償電路,恒溫槽的控制電路等等。

也就是說,此類產品中的諧振電路和輔助電路其實是放置在一個類似PCB基板上,再與晶體封裝起來,形成了一個振蕩器產品。因此,對于傳統的石英晶體振蕩器來說,它是一個模塊,而不是一個基于硅片的IC。

對于MEMS振蕩器而言,是完全不一樣的,它是采用硅晶圓生產工藝制造,并通過電極產生靜電場來激勵諧振器。也就是說,它完全基于硅片,因此,MEMS振蕩器是一個IC產品。

正是因為這樣,石英晶體振蕩器與MEMS振蕩器之間是有一些差異的。由于MEMS振蕩器是基于硅的芯片,因此,它在抗振動、抗沖擊、失效率、封裝和交貨時間,以及靈活性上,是遠遠領先于石英晶體振蕩器的。

圖1:MEMS振蕩器和晶體振蕩器的對比(來源:Microchip


但是,對于一些特殊的應用場合,比如頻率穩定度要求很高的場合,OCXO的頻率穩定度要更高。因此,一些特殊應用場合仍然會使用石英晶體振蕩器。

當然,隨著技術的進步,MEMS振蕩器的頻率穩定度也在逐漸提升當中,業內目前有廠商可以提供與TCXO穩定度相當的產品。

圖2:振蕩器的比較(來源:Microchip)


振蕩器產品有MEMS振蕩器、石英晶體振蕩器,以及原子鐘振蕩器。這一系列振蕩器產品中,他們的性能是完全不一樣的,比如說溫度穩定性、老化率、24小時保持性能、相位噪聲性能等等,都是不一樣的。此外,功率和成本也完全不同。

工程師可以根據自己的實際情況去選擇合適的振蕩器產品,不管是哪種產品,那么通常需要關注哪些常見的參數呢?

一般來說,工程師在選擇振蕩器產品的時候,需要關注頻率穩定性、初始容差、老化率、抖動、相位噪聲和保持性能等等。當然,對于一些特殊的應用場合,和一些特殊的振蕩器產品,還有一些特殊的參數需要去關注。

接下來,我們看一個OCXO的典型應用場景。

圖3:典型的OCXO應用場景(來源:Microchip)


圖3是OCXO在無線產品中的典型應用場景。OCXO在外部控制器和其他電路的配合下,形成了一個閉環的模擬鎖相環(APLL),該APLL可以鎖定GPS提供的1pps的信號輸入,產生1pps的信號輸出和一個10MHz頻率的時鐘輸出,系統可以根據1pps的信號輸出和10MHz時鐘輸出做各種各樣的數據和信號處理。

時鐘發生器

時鐘發生器也可以稱為頻率合成器,一般來說需要外加晶體或振蕩器做為參考。時鐘發生器的主要功能是實現頻率變換,可以對參考源晶體或振蕩器頻率進行倍頻或降頻,從而產生1路或多路輸出。

在時鐘發生器的內部,實際上是一個模擬鎖相環(APLL),該APLL可以鎖定來自外部的參考時鐘,這個參考時鐘可以是上游提供的參考時鐘,也可以是振蕩器提供的參考時鐘。APLL可以把時鐘參考時鐘倍頻到高頻,比如將25MHz的信號倍頻到4GHz,然后基于4GHz再做分頻,從而產生各種各樣的頻率。

其實除了上面提到的APLL,還有數字鎖相環(DPLL),這兩者有何差異呢?對于APLL而言,固有抖動非常好,但它有自己的缺點,比如不夠靈活、帶寬不能做得很低、沒有辦法提供各種各樣的保持功能。

DPLL跟APLL恰好相反,它的固有抖動比較差,但是它非常靈活、帶寬可以做得很低、能提供非常優秀的基于算法的保持功能。

但其實,不論是APLL,還是DPLL,他們都兩個共同點,一是他們都是低通濾波器;二是他們都是閉環的負反饋系統。

復雜的系統中通常有多路時鐘域,每個時鐘由獨立的晶體或振蕩器產生。相比之下,時鐘發生器具備諸多優勢:高度集成、可代替多個晶體或振蕩器、占用電路板的空間少,以及可靠性高等。

那么,在選擇時鐘發生器時,需要考慮哪些參數呢?一般來說,主要考慮的參數有:輸出時鐘可以支持的頻率范圍、輸出時鐘可以支持的時鐘域、輸出時鐘可以支持的路數、抖動/相位噪聲等。

此外,還可根據需求考慮其他一些參數,比如輸出電平可以支持的類型、是否支持SSC擴頻時鐘、是否支持相位調節、是否需要零延時功能、是否支持默認加載配置等。

圖4:Microchip的ZL30267的內部結構


拿Microchip的ZL30267時鐘發生器來說,它內部有兩個APLL,它們同時鎖定到了同一個XO,然后產生了以太網絡需要的156.25MHz時鐘;PCIe系統所需要的100MHz時鐘;以及USB系統需要的48MHz時鐘。也就是說,通過這樣的時鐘發生器,可以產生各種各樣的頻點,給單板做工作時鐘。

時鐘緩沖器

當系統中需要多路時鐘信號時,最有效的產生方法是使用時鐘緩沖器。而時鐘緩沖器實際上是一個比較簡單的器件,本質上來說,它實現了時鐘的驅動,比如說前面有一個時鐘進來,可以通過時鐘緩沖器,實現多個相同頻段的輸出。

在選用時鐘緩沖器時,工程師除了關注輸入輸出,以及輸出頻率等常規參數之外,尤其要注意另外一個參數是附加抖動RMS。為什么關注該參數呢?因為對于時鐘緩沖器產品,是會劣化時鐘的,也就是說,一個好的,低抖動的時鐘輸入進來,經過時鐘緩沖器之后,時鐘的抖動會變大。那么,抖動變大之后的時鐘是否滿足應用的要求,這一點工程師需要多多關注一下。

圖5:選擇不同時鐘緩沖器類型時需要考慮的參數



濾抖芯片

濾抖芯片,顧名思義就是濾除抖動,既然可以濾除抖動,那么芯片內部必然是一個低通的濾波器,濾抖芯片通常會有兩種架構類型,第一種是基于模擬鎖相環的濾抖芯片,由于模擬鎖相環的帶寬不能做到非常低,因此基于模擬鎖相環的濾抖芯片不能實現非常好的濾抖效果。

另一種是基于數字鎖相環加上模擬鎖相環的濾抖芯片,這種芯片把DPLL和APLL的優點結合在一起。

圖6:ZL30169內部架構


比如Microchip的ZL30169,其內部就是基于DPLL和APLL架構的濾抖芯片。它前面是輸入的參考時鐘,后面是參考時鐘的監視器、DPLL模塊、APLL模塊,分頻器模塊,輸出的驅動電路等。根據其內部框圖,可以看出,除了模塊之外,對于內部有DPLL模塊的鎖相環而言,通常還需要外部提供一個工作時鐘,該工作時鐘在給DPLL提供工作時鐘的同時,還會用這個工作時鐘來監控輸入參考源的變化。

同步以太網和IEEE1588時鐘產品

同步以太網和IEEE 1588時鐘產品內部基本上采用了DPLL+APLL的架構。為什么采用這類架構呢,因為這樣可以利用APLL抖動性能好,DPLL比較靈活的特點。

同步以太網和IEEE1588時鐘產品通常要滿足復雜的協議,比如物理層的7.813,7.862協議等。對于DPLL而言,它內部是可編程的,因此,我們可以在DPLL上面處理各自的算法,這個算法就可以保證滿足同步以太網和1588的相關協議。

圖7:時鐘同步類型


一般來說,時鐘的同步有三種類型:頻率同步、相位同步,以及時間同步。它們之間是不一樣的。

對于頻率同步,他們之間的相差是固定的,但是沿是無法對齊的;對于相位同步,相差是固定的,沿也是對齊的,但每一個沿產生的時刻可能是不一樣的;而時間同步,每一個沿產生的時刻是一樣的,因此我們稱之為時間同步。

拿電信網絡來說,整個的電信網絡的時鐘頻率精度必須完全相同,才能完成相互通信;而電信網絡實際上是逐級逐跳傳遞同步信號的。具體來說,電信網絡最開始的高精度時鐘信號由原子時鐘產生,一般原子時鐘會作為第一跳的設備,第一級的設備會把同步信號傳遞到第二級,第二級會把同步信號傳遞給第三級、第四級等等。

逐級逐跳傳遞過程中,通過什么來實現的呢,其實就是通過同步以太網和IEEE1588來實現的。

圖8:同步以太網時鐘的應用。


具體來看一下同步以太網時鐘在具體設備和網絡中,是如何傳遞的,首先上游同步以太網會給PHY一個參考的工作時鐘,PHY收到時鐘后,會基于這個時鐘,把數據傳遞給下一級,在接收端,接收端會把時鐘和數據解出來,提取出來的時鐘,會再給鎖相環芯片,鎖相環芯片鎖定這個時鐘,產生一個新的時鐘,給PHY的SerDes,它再基于這個時鐘,把數據傳遞出去,從而實現了物理層的逐級逐跳的時鐘傳遞的過程。

設備的內部的同步是怎么樣來傳遞的?電信系統一般是多卡系統,主備2個時鐘卡和多個線路卡,輸入同步信號從PHY接收器恢復傳輸到時鐘卡系統時鐘,再由時鐘卡處理后分發信號傳輸到所有線路卡PHY發送器。

時鐘卡和線路卡上都會放置鎖相環芯片,但是它們實現的功能是不一樣的,時鐘卡上的鎖相環可以濾除時序干擾(漂移),并在外部時序源暫時丟失時提供保持功能,以及滿足各種各樣的復雜協議;線路卡上的鎖相環芯片可以濾除抖動和轉換時鐘頻率。

圖9:IEEE1588的應用


IEEE1588的傳遞跟同步以太網的傳遞有點不一樣。它是把時間信號放在報文內。逐級逐跳往下傳遞的。對數字鎖相環,或者模擬鎖相環而言,它是一個低通濾波器,同時也是一個閉環的負反饋系統,對于IEEE1588而言,它也是是一個閉環的負反饋系統。但是它的反饋不在芯片內部,而在于板級,或者系統上。

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的頭像 深圳市恒訊科技有限公司 發表于 11-09 17:02 ? 93次 閱讀

物聯網盒子用于環衛車輛監測

物聯網盒子用于環衛車輛監測
發表于 11-09 16:27 ? 83次 閱讀

PWM和SPWM的區別

最近工作中上接觸到PWM和SPWM,雖然這兩個名字差不多,但是不管是在功能上還是生成的原理上都是有不....
發表于 11-09 15:36 ? 13次 閱讀
PWM和SPWM的區別

淺析Plc物聯網在數控機械方面的應用

Plc物聯網在數控機械方面的應用
發表于 11-09 14:37 ? 9次 閱讀

變壓器的這些特性,你了解多少?

關注、星標公眾號,不錯過精彩內容素材來源:網絡編輯整理:strongerHuang變壓器在我們生活中....
發表于 11-09 13:36 ? 15次 閱讀
變壓器的這些特性,你了解多少?

20種硬件工程師必知必會基礎元器件|最新更新至8.13

本章知識為硬件工程師基礎課程之基本元器件將會講解到:電阻、電容、電感(變壓器)、保險、二極管(整流橋....
發表于 11-09 11:21 ? 17次 閱讀
20種硬件工程師必知必會基礎元器件|最新更新至8.13

歐拉開源操作系統產業峰會:中國聯通推出CULinux數據中心

歐拉開源操作系統產業峰會2021上,:中國聯通推出CULinux數據中心。
的頭像 電子魔法師 發表于 11-09 10:59 ? 103次 閱讀
歐拉開源操作系統產業峰會:中國聯通推出CULinux數據中心

【技術科普】資產監測設備為什么需要用開關電源?

近期筆者收到了國內某客戶關于資產監測設備的詢價,除了產品參數與價格問題外,該企業的工作人員也提出了關....
發表于 11-09 10:51 ? 11次 閱讀
【技術科普】資產監測設備為什么需要用開關電源?

淺談電量傳感器在數據中心的UPS電源中的應用

隨著互聯網技術與應用的快速發展,云計算,云存儲,大數據等相關新型互聯網業務規模與日俱增,數據中心進入....
發表于 11-09 10:36 ? 6次 閱讀
淺談電量傳感器在數據中心的UPS電源中的應用

【小睿精選·第二期】RX13T以更低成本實現逆變器控制的32位MCU

【小睿精選】【小睿精選】第二彈來啦,本期共收錄 7條嵌入式資訊信息,希望可以幫到你。歡迎大家在文末留....
發表于 11-09 10:36 ? 10次 閱讀
【小睿精選·第二期】RX13T以更低成本實現逆變器控制的32位MCU

面向物聯網的完整IP平臺,這家本土IP廠商是如何做到的?

電子發燒友網報道(文/梁浩斌)在芯片集成度越來越高、設計越來越復雜的如今,IP核在芯片設計階段中顯得....
的頭像 Hobby觀察 發表于 11-09 10:11 ? 1768次 閱讀
面向物聯網的完整IP平臺,這家本土IP廠商是如何做到的?

廣和通與南信大共建無線互聯創新聯合實踐基地

11月3日,廣和通與南京信息工程大學達成產學合作意向,共建“南信大-廣和通大學生無線互聯創新聯合實踐....
的頭像 小通 發表于 11-09 09:45 ? 21次 閱讀
廣和通與南信大共建無線互聯創新聯合實踐基地

易事特UPS電源(非標準modbus協議)對接

本文章為原創,轉載請注明出處!登錄平臺:IOTOS?愛投斯物聯中臺賬號:iotos_test 密碼....
發表于 11-09 09:21 ? 13次 閱讀
易事特UPS電源(非標準modbus協議)對接

電源模塊是電源嗎?

我們平時用的充電器或電池等供電裝置到底是不是電源呢?首先讓我們來看一下電源的定義:電源就是把其他形式....
發表于 11-08 17:21 ? 12次 閱讀
電源模塊是電源嗎?

「五度易鏈」我國華為、陽光電源逆變器出貨量連續多年位居全球榜首

導讀:在“雙碳”目標推動下,全球多國積極推動光伏產業,逆變器作為光伏系統的核心,全球新增市場規模持續....
發表于 11-08 16:51 ? 12次 閱讀
「五度易鏈」我國華為、陽光電源逆變器出貨量連續多年位居全球榜首

曠視自研AI生產力平臺 Brain++實現城市智慧化應用

在以“數字經濟塑造世界未來”為主題的圓桌對話環節,曠視合伙人兼總裁付英波通過云端接入,分享了對于智慧....
的頭像 曠視MEGVII 發表于 11-08 15:34 ? 736次 閱讀
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