精准、灵活、小巧的可编程时钟发生器，你用过吗？

 

提到电子设备的“心脏”，很多人会不约而同地想到时钟芯片，因为其作用就是基于一个参考频率源（如石英晶体或单端或差分时钟），产生频率稳定的节拍钟振信号，就像是人的心脏一样有节律地“跳动”，以确保系统中各个功能模块都能够以此为基础稳定运行并互相协同。

 

 

从更严格的定义上看，时钟芯片就是在电子系统中生成、调节、操纵、分配或控制计时信号的集成电路，其核心的作用有两点：一是生成准确的时钟脉冲信号，二是持续可靠地分发该信号供系统内的各种计时设备使用。可以想见，随着当今电子系统运行速度越来越快，运行的环境越来越复杂，时钟芯片面临的设计和应用挑战也会越来越大。

 

 

时钟发生器的选型

时钟发生器是一种常见的时钟芯片，顾名思义，它扮演的角色就是产生同步系统操作所需的计时信号。最基本的时钟发生器由谐振电路和放大器组成，被广泛地应用在各类电子和信息通信产品中。谐振电路通常是一块石英压电振荡器，也可以使用简单的储能电路甚至是RC电路；将谐振电路产生的振动信号通过频率倍增器、分频器和混频器的处理以产生所需的输出时钟信号，这个过程也被称为频率合成或时钟合成。

 

由于是为整个系统提供一个频率基准，因此电子电路对于时钟发生器这个频率源的频率稳定度、频谱纯度、频率范围等的要求自然是容不得半点马虎。具体来讲，衡量时钟发生器性能的优劣，主要有以下一些关键指标：

 

时钟抖动

这是用于测量时钟在时间域或频率域内与理想信号之间误差量的一个指标，也是反映时钟信号质量的关键指标。

 

频率范围

不同的时钟发生器会根据目标应用的频率要求进行优化，有些器件会注重支持较宽的频率，而有些则强调在特定应用的窄频率范围内提供更高的性能。

 

输入和输出信号类型

每个时钟信号都需要一个明确定义的高/低电压和上升/下降时间，由此也就定义了符合行业标准的不同“信号类型”，包括LVCMOS、LVDS、LVPECL、HCSL等。有些时钟发生器支持固定的信号类型，而有些则可支持多种类型。

 

电源电压

即器件工作所需的电压。一般来讲，较低的电源电压对应着更低的功率损耗。在不牺牲性能的情况下尽可能节省功率，自然是理想时钟发生器所追求的目标。

 

集成度

像其他芯片一样，在满足系统要求的同时使用尽可能少的元器件，这一趋势也在推动时钟发生器向着更高的集成度发展。

 

 

灵活的可编程时钟发生器

 

值得关注的是，随着应用的发展，时钟发生器也面临着新的挑战。

 

首先，随着电路复杂性的增加，如果要满足电路中不同芯片和接口在时钟信号方面的要求，传统的解决方案需要由多个分散的晶振提供支持，而这种方法很可能会引发多个时钟源相互之间的干扰，影响系统的性能。

 

其次，面对更复杂的系统、更多样化的设计需求，开发者需要选用不同的时钟源器件，这无疑会增加整个研发的工作量和BOM的复杂度，对于优化产品生命周期中的研发和库存管理成本显然是不利的。

 

为了解决这些“痛点”，一种更加灵活的“可编程时钟发生器”就应运而生了。大家知道，很多时钟信号发生器采用的是锁相环时钟（PLL时钟）架构，其通过用于比较输入相位并调整振荡器频率的PLL，保持相匹配的相位。所谓可编程时钟发生器就是通过改变电路中倍增器或分频器的参数来定义具有不同输出频率的时钟信号，也就是说无需修改硬件，即可从相同的输入频率产生不同的输出频率，这自然是为开发者提供了一种极具灵活性和可扩展性的解决方案。而且很多可编程时钟发生器还支持同一个器件输出多路时钟信号，这对于节省系统空间、实现更紧凑的设计也是大有裨益的。

 

总而言之，可编程时钟发生器可通过取代分立的晶体、振荡器等时钟元件节省电路板空间和成本，也为消费电子、数据通信、电信和计算等应用的设计开发带来极大的灵活性，因此成为了一个颇受关注的时钟芯片门类。

 

 

高性能、低功耗可编程时钟发生器

正是认识到了可编程时钟发生器的独特价值，Renesas Electronics在这个领域一直深耕不辍，根据实际的目标应用，开发出了具有高性能、低功耗、微型封装等不同特性的可编程时钟发生器产品。

 

其中，VersaClock系列就是很有代表性的一个产品家族，目前已经发展出了20多个可编程时钟发生器产品组合，支持1.8V至3.3V的工作电压，具有差（LVPECL/HCSL/LVSS/LPHCSL）和LVCMOS多样化的输出类型，集成最多3个PLL和多个分数分频器，以准确生成所需的频率信号，为用户提供兼具低功耗、灵活性和高性能的解决方案，非常适合用于消费类、电信、数据通信和网络应用。

图1：VersaClock系列主要产品

（图源：Renesas Electronics）

具体来讲，VersaClock系列产品包括VersaClock 7、VersaClock 6、VersaClock 5、VersaClock 3S等几个子系列，产品定义主要是从低功耗、低抖动两个方向上进行布局（见图1）。

VersaClock 3S产品低功耗特性出众，能够在节省PCB空间的同时提供出色的节能表现，可满足包括PCI Express Gen 1/2/3标准在内的广泛应用的需求。

VersaClock 5为低功耗、高性能应用提供0.7ps的相位抖动（12kHz至20MHz频率范围内），以及在单个芯片上最多储存和配置四种不同频率信号的能力。同时，该时钟发生器的工作核心功率仍低于100mW（比竞争产品低50%），低功耗表现也不俗。

VersaClock 6可编程时钟发生器相对来讲更偏重于高性能，其RMS相位抖动低于500飞秒（fs），适用于10G以太网、PCI Express 1/2/3代标准、PHY参考时钟和高端FPGA等对于抖动和相位噪声要求更为严苛的应用。与此同时，其核心电流消耗仍控制在30mA，以尽可能降低系统的功耗。

VersaClock 7是VersaClock系列的新产品，适用于高阶计算、有线基础设施及数据中心设备的PCIe和以太网应用。VersaClock 7产品包括5路、8路和12路输出器件，12kHz至20MHz RMS抖动低至150fs，在同系列产品中性能表现抢眼。其中，以8路输出器件为例，其采用5mm x 5mm QFN封装，比目前市场上同类产品小30%，有助于开发者实现更紧凑的设计；此外，该系列时钟发生器还提供集成晶体选项，可进一步节省系统空间并优化BOM。

图2：VersaClock 7可编程时钟发生器

（图源：Renesas Electronics）

 

VersaClock 7产品特性可以概括如下：

• 1.8V/2.5V/3.3V灵活电源轨

• 典型150fs RMS 12kHz-20MHz相位抖动

• 5/8/12输出，带集成晶体选项

• 1kHz至650MHz LVDS/LP-HCSL输出

• LVCMOS输出：1kHz至200MHz

• 可编程硬件配置选择引脚

• 支持PCIe Gen5/6

• 节省空间的封装：4mm x 4mm、5mm x 5mm、6mm x 6mm

• 集成晶体选项，用于节省空间和优化BOM

 

图3：VersaClock 7可编程时钟发生器框图

（图源：Renesas Electronics）

 

图4：VersaClock系列主要产品性能对比

（图源：Renesas Electronics）

 

 

便捷的可编程开发体验

 

为了方便开发，Renesas还提供了VersaClock评估板，用于评估VersaClock时钟发生器。该VersaClock评估板特性包括：

• 通过SMA实现晶体或晶体过驱动（REFIN）

• 晶体过驱动和CLKIN上提供检测线路

• 板载I²C和SPI通信

• 四个GPI和五个GPIO

• GPI/GPIO LED指示灯和DIP开关

• 输出上的测试点，用于Hi-Z探头

• 跳线可选电压设置，用于3.3V/2.5V/1.8V，由USB-C供电

 

图5：VersaClock评估板

（图源：Renesas Electronics）

 

而且，开发者通过Renesas提供的全新RICBox应用程序，可以很方便地配置VersaClock 7器件，在评估板上完成配置创建和器件编程。也就是说，基于RICBox这个新推出的软件平台，客户可以使用Python驱动或Windows GUI来创建自定义配置，并对评估板上的VersaClock 7器件进行编程，而无需相关的专业知识。而且，通过RICBox与Renesas的创新云端实验室平台无缝对接，用户还可以下载自己创建的配置并在本地使用RICBox进行操作，或者是将配置上传至云端实验室进行性能分析。

 

总之，完整而易用的开发资源使得VersaClock 7可编程时钟发生器在性能、设计灵活性方面的优势得以充分发挥出来，为用户提供了极为便捷的开发体验。

 

 

本文小结

 

在电子系统中，时钟元件是系统稳定运行、精准通信的基石。而随着系统复杂性的增加，从一个或多个参考频率中产生多种频率的时钟信号，且可以通过编程灵活配置输出频率的可编程时钟发生器更是成为市场上的大热门；而且伴随着各种应用不断发展，对这种精准、灵活、小巧的时钟芯片的需求也日趋旺盛。

Renesas显然已经为此做足了准备，通过不断扩充可编程时钟产品组合、完善配套的设计资源，为开发者提供更高性能、更大自由度的开发体验。这样的解决方案，你想不想也来尝试一下？

 

 Renesas VersaClock 7时钟发生器 

   

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