基于FPGA可编程振荡器增强

当今复杂的 FPGA 含有众多用于实现各种电路与系统的功能块，诸如逻辑阵列、存储器、DSP 模块、处理器、用于时序生成的锁相环 (PLL) 和延迟锁定环 (DLL)、标准 I/O、高速数字收发器以及并行接口（PCI、DDR 等）。这些不同的功能块通常由多个时钟驱动，FPGA 一般会综合采用外部振荡器以及内部 PLL 与 DLL来生成时钟。系统设计人员必须决定如何综合使用外部与内部资源来实现最佳的时钟树设计。而可编程时钟振荡器用作 FPGA 系统的时序参考，可提供一系列优势。其中首要优势是为了实现时钟树优化而进行高分辨率频率选择时所带来的设计灵活性。另一个巨大优势是具有可以减少电磁干扰 (EMI) 的扩频调制功能。

内在可编程的硅 MEMS 时钟振荡器架构能够帮助采用 FPGA 的系统设计人员解决许多难题。这种微型机电系统架构能够轻松整合一些其它功能，如：用于消减 EMI 的扩频时钟、用于消除抖动的数控振荡器以及高速应用中的失效保护功能。

频率选择
一般系统需要一系列时钟频率。其中一些是标准频率，这种标准化可能是出于对行业规范强制要求的考虑（如：PCI Express® 要求的 100MHz 频率），也可能是由于得到了广泛的应用（如：用于 SATA 的 75 MHz 或用于 PCITM 的33.333 MHz）。上述频率与 I/O 接口关联在一起，以确保实现互操作性，因为接口两侧可能不属于同一系统。与此相对，用户可选择用于驱动处理器、DSP和状态机引擎的时钟频率，以优化速度、功率或资源占用。

在进行速度优化时， 应以最高时钟频率来驱动处理引擎，以使每秒运算次数达到最高。但是，时钟周期抖动必须足够低，以确保最小时钟周期大于设计的临界时序路径，否则有可能出现逻辑错误。频率选择的常用方法是采用内部 FPGA PLL 对来自标准外部参考振荡器的高频时钟进行综合。此方法只有在内部 PLL 具有高频分辨率和低抖动时才有效。

某些 FPGA 集成了内部低噪声分数PLL，可满足所有这些要求。在这种情况下，可以采用简单的外部振荡器参考。不过，许多情况下 FPGA 会采用带有环形 VCO 和整数反馈分频器的 PLL 来综合不同频率。这种 PLL 小巧灵活，比较容易设计和控制，而且功耗极低。不过，使用此类内部 PLL 时很难同时实现高分辨率与低抖动。

图 1 为整数 PLL 的一般架构。对PLL 输出频率的编程需综合采用预分频器 (P)、反馈分频器 (M) 和后分频器 (N)来完成，如下式所示：
 

PLL 反馈环路形成一个限带控制系统。输出周期抖动主要取决于参考时钟相位噪声 (PNin ) 和内部 VCO 相位噪声(PNVCO)，如下式所示：

输入参考时钟相位噪声和 VCO 相位噪声与输出相位噪声息息相关，分别通过低通滤波器和高通滤波器响应来体现，如
表达式中的 Hin 和 HVCO。HVCO 与 Hin 的截止频率直接相关。图 2 说明了典型二阶 PLL 中 Hin 与 HVCO 的相互关系。最高 PLL 带宽取决于相位检测器的更新速率。大部分实际 PLL 的最高实际带宽极限如下式所示：
 

例如，如果 PLL 输入频率是 40MHz并且 P=40，则最高实际 PLL 带宽是100kHz。

周期抖动通过正弦滤波器响应与相位噪声关联在一起，如图 4 所示。[1] 可以看出，周期抖动在靠近 fout /2 的频率偏移位置对整体 PLL 输出相位噪声更敏感。由于 PLL 带宽远低于 fout /2，因此参考时钟一般对周期抖动产生的影响较小，而内部 VCO 相位噪声影响更大。

更高的 PLL 带宽可以减少内部 VCO 对输出周期抖动的影响，而且能够降低整体周期抖动。大多数情况下，可以通过设定更高的带宽来降低内部 VCO 噪声和改善抖动。另一方面，要实现高频率分辨率需要更大的分频器 P 值，这会限制最高 PLL 带宽。这种矛盾要求必须在高分辨率和低抖动之间做出权衡。而采用外部高分辨率振荡器可以缓解这一问题，原因是高分辨率可以通过外部参考来实现。

高性能可编程振荡器（如 SiTime提供的振荡器）可以作为外部高分辨率振荡器来使用。在采用此类振荡器时，内部 PLL 只需支持非常有限的频率综合功能，从而可以提高带宽并降低抖动。

可编程外部参考振荡器的另一个优势是允许选择更高的频率作为参考。这样就能够实现带宽更高的内部 PLL，进而降低抖动。例如，为了满足时序要求，某个应用可能需要采用 RMS 周期抖动为 10 皮秒的 56MHz 时钟。

图 5 说明了获取 56MHz 时钟的两种方法。第一种方法采用标准的 25MHz参考， 而第二种方法采用非标准的28MHz 参考。第一种方法需要较高的预分频比，以达到所要求的分辨率，但是会导致更高的输出抖动。第二种方法可以最小化 P 值而且能实现更高的 PLL 带宽，从而可以降低输出周期抖动。

大多数可编程振荡器采用一个谐振器单元和一个或多个 PLL 来对不同频率进行综合。传统上，石英晶体通常被选定作为稳定谐振器。不过，其封装难题却限制了此类可编程振荡器的可用性。近期，硅 MEMS 振荡器大量上市，能够在稳定谐振器与高性能 PLL 方面提供高性价比的完美组合，并且适用于众多行业的标准小型封装。这种振荡器为优化 FPGA 系统中的时钟树提供了出色的FPGA 时钟解决方案。此类时钟还可以满足高速收发器更加苛刻的抖动规格要求。[2]

EMI 消减
只要在可编程振荡器中将稳定谐振器与高性能合成器配合使用，就能够轻松获得许多其它有用的时钟功能。其中之一就是用于消减 EMI 的扩频时钟(SSC)。

SSC 振荡器是一种频率经过调制的时钟，可以确保时钟信号能够在更大的频率范围内传播，从而可以减少给定频率范围内的整体峰值电磁辐射。SSC的作用在基于 FPGA 的系统中更加明显，因为它可以减少共享同一时钟源的所有电路与 I/O 的 EMI。相比而言，跟踪滤波与升高/降低控制法只能降低系统特定部分的 EMI。图 6 说明了 SSC 如何降低峰值 EMI 辐射。

SSC 中的重要参数是调制范围与调制方法（中心扩频或向下扩频）。诸如 SiTime 的 SiT9001等可编程振荡器可提供宽广的 SSC 调制范围——向下扩频和中心扩频方式下都可以达到0.5%~2%。这种菜单选择方式使设计人员能够在优化 SSC 实现最佳系统性能的同时将 EMI 最小化。[3]

可编程振荡器中分数 N PLL 所带来的有用功能的另一个例子是数控振荡器(DCO)。DCO 功能强大，结合 FPGA，可实现低带宽、全数字 PLL，从而能够为高端电信与网络系统提供失效保护、故障切换或抖动消除等功能。

硅 MEMS 的优势
全新的硅 MEMS 振荡器在过去几年里显著扩大了商用可编程振荡器的产品组合。这些振荡器使用户能够定制参考频率， 选择外部参考与FPGA 内部 PLL 参数的最佳组合，从而实现最佳的时钟树设计。此外，设计人员还可以轻松选择电源电压、封装、温度范围、频率稳定度和驱动强度以满足应用需求。这些振荡器的可编程特性还能够缩短研发周期，实现快速原型设计以及加快生产进度。

SiTime 的单端和差分硅 MEMS 振荡器已经应用到赛灵思的部分演示板中（见表 1）。目前已经可以针对不同频率、电压和封装需求订购此类部件，以实现最佳的系统性能。