FCO-L差分振荡器搭建时钟架构，全面剖析光模块与PCIe Gen6的时钟设计思路

 

随着通信速率进入100G、200G乃至400G时代，系统对时钟源的抖动容限和温漂性能提出更高要求。FCom富士晶振推出的FCO-L系列差分晶体振荡器具备50fs级别的超低相位抖动、宽温高稳等特点，成为光模块、PCIe Gen6平台和新一代数据中心的关键定时解决方案。

一、在光模块中的设计应用

应用背景

光模块（如SFP+/QSFP+/OSFP等）是实现光电转换的核心器件，通常内建CDR（时钟数据恢复）和高速SerDes电路，对输入时钟的抖动与稳定性极为敏感。

设计要点

• 推荐输出：LVPECL 或 LVDS，兼容CDR输入；
• 推荐频率：156.25 MHz（25G NRZ）、625 MHz（25G PAM4）、312.5 MHz（100G）等；
• 关键指标：抖动 < 100fs RMS（12kHz–20MHz）；
• 布线建议：时钟走线需采用差分对布线，保持长度匹配（<5mil），并严格控制阻抗（100Ω±10%）；
• 电源管理：建议配置 LDO + π型滤波（0.1μF + 1μF + 4.7μF），降低电源噪声；
• 共模抑制：接收端建议加共模吸收磁珠，改善EMI表现；
• 晶振位置：靠近 SerDes/Clock Input，减少时钟路径长度，避免过孔引起反射；

FCom-光模块拓扑图示意

典型器件搭配

光模块类型	推荐主控/CDR芯片	推荐FCO-L频率	接口	应用速率
SFP+ / SFP28	Analog Devices ADN2814 MaxLinear MxL935xx	156.25 MHz	LVDS	10G / 25G NRZ
QSFP+ / QSFP28	Semtech GN25Lxx TI DS250DF410	312.5 MHz	LVDS / LVPECL	40G / 100G
OSFP / CFP2 / QSFP-DD	Inphi IN3256TA MACOM M37046	625 MHz	LVPECL	100G /  400G PAM4
DWDM Tunable	Semtech GN2217 NeoPhotonics IC	161.1328125 MHz	LVDS	Tunable 10/25G
光模块带 FPGA平台	Intel Stratix 10 TX Xilinx GTY	156.25/312.5/ 625 MHz	LVDS	多通道 SerDes同步

设计注意事项与调试建议

• 使用差分探头测试时钟输出，确保波形无反射/畸变；
• 在PCB layout中，优先将晶振靠近接收端放置，避免长线回授；
• 若模块内存在高速DC-DC转换器，注意振荡器电源路径需隔离；
• 多模块同步建议使用具备±25ppm频稳的FCO-L，并考虑冗余备份路径。

二、在PCIe Gen6平台中的设计要点与器件搭配

应用背景

PCIe Gen6（Peripheral Component Interconnect Express Generation 6）协议支持 64 GT/s（Gigatransfers per second） 传输速率，使用PAM4 编码，对参考时钟（Refclk）的 抖动要求极为严格。相比Gen4/Gen5时代，对时钟源的噪声容限、频率精度、热稳定性提出了更高要求。

 

设计要点

• 推荐频率：100 MHz（主流PCIe Refclk频率），200 MHz（部分CXL 2.0平台使用）；
• 输出接口：HCSL（用于标准PCIe）、LVDS（低功耗替代）、LVPECL（长线驱动）；
• 输出容差要求：抖动需 ≤ 80 fs RMS（符合PCIe Gen6 jitter budget）；
• 供电电压：支持 1.8V、2.5V、3.3V 平台共用，适配多电压主板设计；
• 布线建议：使用 100Ω 差分对走线，走线长度差＜5mil，HCSL需50Ω终端到GND；
• 电源去耦：推荐配置：0.1μF + 1μF 去耦电容；必要时加入π型滤波（磁珠+电容）；
• 散热与稳定性：封装金属壳接地，有助于EMI控制；可靠近时钟Buffer布置，减短路径；

FCom-PCIe Gen 6 拓扑图示意

典型器件搭配

应用平台	核心芯片 / 控制器	推荐输出	推荐频率	说明
服务器主板	Intel Whitley/Granite Rapids、AMD EPYC Genoa	HCSL	100 MHz	主板中心时钟， 连接至多PCIe槽
GPU 加速板卡	NVIDIA H100/A100、AMD MI300	HCSL / LVDS	100 MHz	通常集成PCIe Switch或桥接器
PCIe拓展卡	Broadcom PEX9700/PEX88000 Switch	LVPECL / LVDS	100 MHz	适配多个下游设备，需低抖动
CXL 内存模块	Micron CXL-DDR5 Expansion Module	LVDS	200 MHz	CXL标准中定义的 高精度同步频点
高速互连 芯片	Marvell Alaska、Astera Labs Aries	HCSL / LVDS	100 MHz	支持PCIe Gen6和CXL混合链路
时钟Buffer/分配器	Renesas 9ZXL, TI CDCLVC1310	HCSL / LVPECL	100 MHz	布局中心位置， 作为扇出中继

设计注意事项与调试建议

• 在HCSL接口下，输出端需 50Ω 电阻下拉至 GND；
• 时钟线应远离高电流/开关电源轨，避免交叉干扰；
• 使用相邻地层作为参考面，保持走线阻抗；
• 走线长度尽量短直，减少via（过孔）数量，防止反射；
• 若需热备份方案，可并联双晶振+MUX控制切换，提升可靠性。

三、数据中心中的时钟挑战

应用背景

现代数据中心正从传统架构向高带宽、低延迟、多协议互连平台（如PCIe/CXL/以太网）演进。服务器主板、交换芯片、光互连设备之间的协同要求在不同子系统之间实现极高精度的 

时钟同步与相位一致性。

在此类系统中，差分晶体振荡器承担着以下关键任务：

• 提供高稳定性低抖动主时钟；
• 驱动 SerDes、PHY、FPGA、网络芯片的参考时钟输入；
• 与时钟缓冲器（Clock Fan-out）组合，分发至多路下游设备；
• 满足系统级 散热、抗干扰、封装紧凑要求；

设计要点

• 推荐频率：100 MHz（PCIe/CXL平台的通用标准频率），156.25 MHz（以太网、光模块、交换芯片），312.5 MHz / 625 MHz（高速CDR、PAM4信号处理、SerDes链路）；122.88/245.76 MHz（5G与同步通信链路）
• 输出接口：LVDS（交换芯片、CDR、FPGA），HCSL（PCIe/CXL），LVPECL（高速SerDes和后级驱动链路）
• 极低抖动性能：< 50 fs RMS（12 kHz–20 MHz），满足SerDes/CDR抖动容限；
• 差分布线：采用100Ω差分对布线，布线长度误差<5mil，避免途经大电流区域；
• 电源去耦设计：在VDD端布设0.1μF+1μF并联去耦，必要时引入π型磁珠滤波；
• 靠近负载布置：建议将振荡器放置于FPGA、SerDes或CDR芯片附近，避免过长走线；
• EMI控制：保证地层完整、避免走线跨区域；输出对加终端匹配或共模电感；
• 热管理：贴近铜泊区布置，利于热量释放，推荐使用金属壳接地处理设计；

FCom-数据中心拓扑图示意

典型器件搭配

应用场景	核心芯片 / 组件	推荐频率	输出接口	应用说明
交换芯片 主板	Broadcom Tomahawk5 Marvell Prestera	156.25 MHz	LVDS / HCSL	为核心交换芯片提供高精度Refclk
AI加速平台 / GPU主板	NVIDIA H100/A100 AMD MI300	100 / 156.25 MHz	HCSL / LVPECL	驱动PCIe时钟、CXL接口与高速SerDes
服务器主板时钟系统	Intel Tofino2/3 Intel Eagle Stream	100 MHz	HCSL	与时钟分配器搭配驱动全板PCIe/CXL
高速光接口模块	Semtech GN2110 / Inphi CDR芯片	312.5 / 625 MHz	LVDS	为QSFP-DD等光互联系统提供CDR参考时钟
高速存储 主控	Marvell Bravera、Microchip Switchtec	100 MHz	HCSL	驱动NVMe-SAN或互联Switch

设计注意事项与调试建议

• 使用100Ω差分对（LVDS/LVPECL）或50Ω单端对地（HCSL）；
• 线宽与线距需严格控制，推荐使用专用差分线规则；
• 差分走线需长度匹配，差值 < 5 mil（0.127mm），避免产生共模噪声；
• 时钟线远离高频切换电源、DRAM/SoC高速信号区域，避免串扰；
• 差分线优先避免过多 via（过孔），可在必要处使用 GSSG 结构保证阻抗连续性；
• 电源波动可能引起周期抖动，建议在VDD端布设0.1μF + 1μF并联去耦电容，并使用 LDO 或 π型滤波抑制干扰；
• 用示波器查看差分波形幅度、对称性；确认 Rise/Fall 时间是否符合要求（典型 <1ns）；

总结

FCO-L系列作为跨速率、跨协议、跨平台的微型差分时钟解决方案，其灵活性、低抖动、高集成度使其在以上三大关键模块中均可深度集成。