时钟树设计师的 5 个问题

与设计的其余部分相比，时序部分经常被忽视

时钟和振荡器运行您的组件并确保一切都在系统地运行。尽管时序部件很常见且很重要，但与设计的其余部分相比，它们常常被忽视。在设计时钟树时，在选择最佳时序解决方案时要考虑几个因素。我们将根据您的应用程序的形式和功能，了解选择时钟的五个常见注意事项。

1. 是同步设计还是自由运行设计？

自由运行的应用程序需要独立的时钟，没有任何特殊的锁相或同步要求。示例包括标准处理器、内存控制器、片上系统 (SoC) 和外围组件（例如 USB、PCI Express 开关）。

同步系统需要跨所有相关系统的连续通信和网络级同步。在这些应用中，基于低带宽锁相环 (PLL) 的时钟提供抖动滤波以确保维持网络级同步。例如，将所有序列化-反序列化 (SerDes) 参考时钟与高精度网络参考时钟（例如 Stratum 3 或 GPS）同步可确保所有系统节点之间的同步。同步时钟树的示例包括光传输网络 (OTN)、同步光网络和同步数字体系 (SONET/SDH)、移动回程、同步以太网和高清串行数字接口 (HD SDI) 视频传输。

考虑事项： 您将使用的时钟类型取决于时序架构是自由运行还是同步。如果架构是自由运行的，则应使用时钟发生器。相反，同步设计需要抖动衰减时钟。尽管同步系统不需要具有相同的频率，但它们需要具有相同的相位。 

2. 你需要什么时钟频率？

当需要多个参考频率时，时钟发生器和时钟缓冲器很有用，并且目标 IC 都在同一块电路板上，或者位于同一 IC 或现场可编程门阵列 (FPGA) 中。

时钟发生器面临的挑战是系统布局。将晶体放置在其目标 IC 附近既简单又便宜。另一方面，尽管能够降低成本，但将时钟信号从时钟发生器路由到其目标 IC 可能具有挑战性。实施仔细的设计和其他技术可以确保集中式时钟源提供相同的性能。通常，如果需要四个或更多时钟，设计人员可以通过使用时钟发生器来节省资金。

考虑事项： 在考虑时钟发生器时，一定要选择能够输出与您的设计兼容的频率的发生器。Silicon Labs 的时钟发生器可以使用其ClockBuilder Pro 软件 进行编程，以满足特定的频率、输出和格式要求。客户可以定制工厂编程的时钟发生器样品，通常需要两周的交货时间。

3.每个频率需要多少个？

时钟缓冲器分配输入/参考时钟的多个副本或简单派生。

参考时钟可以来自时钟发生器、XO 或系统时钟。时钟缓冲器将其输入时钟从两个输出扩展到 10 个以上。它们可以包括 I 2 C、SPI 或引脚控制功能，例如信号电平和格式转换、电压电平转换、多路复用和输入分频。这些功能通过消除组件、分压器和信号电平转换电路来节省空间和成本。

考虑事项： 参考 Silicon Lab 的时序产品选择器指南，选择与您设计的输出数量（或更多）、输出格式和抖动要求相匹配的缓冲器。

4. 每个时钟需要什么样的抖动性能？

抖动性能在各种条件下各不相同，包括：

设备配置

操作频率

信号格式

输入时钟转换率和抖动

电源和电源噪声

抖动定义为时域中与理想参考时钟的时间偏差，是时序组件的关键规格。如果不加以解决，过多的时钟抖动会损害系统性能。对于 IC，抖动规格将作为时域测量给出，或者在高性能应用中更常见的是，作为 RMS 相位抖动中的频域测量给出。

考虑事项： 应估计总时钟树抖动，以确定在采用时钟树之前是否有足够的系统级设计余量。如果抖动太高或指定不当，时钟性能较差的组件可能会危及整个系统。重要的是要注意时钟树的抖动不仅仅是每个组件的 MAX 规格的总和；它是每个设备的 MAX RMS 抖动的平方和的根。

参考 Silicon Labs 的相位噪声抖动计算器工具，轻松识别满足抖动要求的时钟和振荡器。

5. 每个时钟需要什么样的信号格式级别？

时钟和缓冲器有多种不同的格式，包括：

扇出：定义单个逻辑门的输出可以馈送的最大数字输入数的术语。大多数晶体管-晶体管逻辑 (TTL) 门最多可以为 10 个其他数字门或设备供电。因此，典型的 TTL 门的扇出值为 10。

低压正发射极耦合逻辑 (LVPECL)：正发射极耦合逻辑 (PECL) 的功率优化版本使用 3.3V 正电源。

低压差分信号 (LVDS)：不仅是物理层规范，而且是通信标准和应用程序经常添加的数据链路层。

电流模式逻辑 (CML)：在标准电路板上以 312.5Mbit/s 和 3.125Gbit/s 之间的速度传输数据。

高速电流控制逻辑 (HCSL)：具有两个可在 0 和 14mA 之间切换的输出引脚的差分逻辑。

低压互补金属氧化物半导体 (LVCMOS)：LVCMOS的目标是缩小集成电路的器件几何尺寸，从而降低工作电压。

考虑事项： 使用符合您的设计和相关要求的格式。上述每个时序部件都有许多不同的格式以支持各种设计类型。

Silicon Labs 时序解决方案

作为高性能时钟和振荡器的领导者，Silicon Labs 的计时解决方案提供业内最广泛的晶体振荡器、时钟发生器、时钟缓冲器和抖动衰减器系列产品组合（图 1）。此外，Silicon Labs 为时钟提供最大的频率灵活性以及业界最低的抖动。在购买时钟之前，一定要问自己这里列出的五个问题，以帮助缩小支持您设计的最佳选择范围。

图 1：Silicon Labs 计时解决方案组合结合了频率灵活性和一流的抖动性能。（来源：对称电子）

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