差分晶振在高速 FPGA 上的应用

差分晶振在高速 FPGA 设计中具有非常重要的应用，尤其是在对时钟精度、抗干扰能力、信号完整性要求高的系统中，比如：

· 高速串行接口(PCIe、SFP+/QSFP、10G Ethernet、DDR4/DDR5)

· 多通道数据采集系

· 高速通信系统(SerDes)

· 精确同步系统(时间戳、ADC/DAC 驱动)

一、什么是差分晶振？

差分晶振(Differential Oscillator)是一种输出差分信号(如 LVDS、LVPECL、HCSL)的有源晶体振荡器，其输出两个互为反相的时钟信号(CLK+ 和 CLK−)。它不同于传统的单端晶振(如 CMOS 输出的 Oscillator)。

二、差分信号的优势：

特性	差分信号	单端信号
抗干扰能力	强(共模噪声抵消)	弱
信号完整性	好，易于传输高速信号	差
驱动能力	高，适合远距离/高速传输	低
抖动性能	更低	相对较高

三、差分晶振在高速 FPGA 上的应用

1. 作为高速接口参考时钟

PCIe、10G/25G Ethernet、SATA 等高速接口必须使用差分参考时钟；

通常使用 100 MHz 或 156.25 MHz 差分晶振(如 HCSL/LVDS 输出)；

FPGA 内部的 GTX/GTH/GTP 等高速收发器模块(Transceivers) 需要这些差分参考时钟。

典型连接：

差分晶振 → FPGA GTREFCLK0/1 (高速收发器参考时钟引脚)

2. 时钟树的核心时钟源

多通道高速系统中，使用差分晶振驱动一个时钟分配芯片(如 SI5341/AD9528)，再输出多个同步时钟；

适用于多 ADC、DAC、FPGA 通信时钟对齐。

结构示意：

差分晶振 → 时钟管理芯片 (如 PLL / Fanout Buffer)
↓
多个同步时钟→ FPGA/ADC/DAC

3. 驱动 FPGA 内部 PLL/MMCM

差分晶振可用于提供高品质时钟输入(如通过 IBUFDS 接口进入 FPGA)，再由内部 PLL/MMCM 输出系统各模块时钟；提升时钟质量，降低整体系统时钟抖动。

常见差分输出类型与 FPGA 兼容性

输出类型	典型应用	FPGA 接口兼容性
LVDS	通用差分晶振输出类型	所有主流FPGA 支持(GTX/GTH 输入)
HCSL	PCIe、服务器主板用	直接支持(如Xilinx PCIe IP 核)
LVPECL	高频、高摆幅应用	需要外部终端匹配和偏置电阻
CML	超高速链路(>10 Gbps)	高端FPGA 收发器支持

✔ 建议根据 FPGA 厂商推荐使用匹配的差分输出类型。

四、差分晶振选型建议

参数	建议值
频率稳定度	±25 ppm 或更优
相位抖动(12kHz–20MHz)	< 1ps RMS(高速接口要求)
输出类型	LVDS/HCSL 优先，取决于 FPGA 兼容性
负载能力	驱动能力≥ 15pF 或与时钟芯片匹配
温度范围	工业级(-40°C ~ +85°C)或更宽

优先选择协议推荐频率：

PCIe：100 MHz；

SFP+/10G Ethernet：156.25 MHz；

25G/40G Ethernet：312.5 MHz；

JESD204B/C：250 MHz、312.5 MHz、625 MHz 等。

参考 FPGA 官方文档推荐时钟范围；

抖动指标要低：

RMS jitter < 0.5 ps(高速接口要求)；

特别重要于 PCIe、JESD204C、10G/25G Ethernet。

五、差分晶振在高速 FPGA 上的常用频率

频率(MHz)	应用场景	备注
100 MHz	PCIe Gen1/Gen2；通用高速逻辑系统	非常常见，支持HCSL/LVDS
125 MHz	Gigabit Ethernet(千兆网)	适用于GMII、SGMII 等接口
156.25 MHz	10G Ethernet(10GBASE-R/XAUI)、SFP+、QSFP、CEI 接口等	高速串行通信标准频率
200 MHz	DDR4 时钟、多速率收发器参考频率	通常用于倍频生成更高时钟
212.5 MHz	JESD204B/C 数据转换链路	高频采集通信接口标准频率
250 MHz	高速ADC/DAC 系统、部分 JESD204C 系统	抖动要求更严格
312.5 MHz	25G Ethernet(25GBASE-R)、高速光通信系统	差分输出常为CML/LVPECL
322.265625 MHz	CPRI(6.144 Gbps)参考时钟	通信基站FPGA 用
644.53125 MHz	CPRI(12.288 Gbps)、JESD204C 高速链路	极高速接口，需要极低抖动晶振
Others(用户自定义)	特定频率输入给PLL，再生成目标频率	需确认PLL 支持倍频因子

✔ 具体型号建议联系杭晶销售或技术工程师推荐使用匹配的差分输出类型。

六、总结

项目	差分晶振的优势
精度	抖动低，频率稳定
抗干扰	强，共模噪声抑制好
速度	支持GHz 级高速传输
应用	PCIe、SFP、DDR4/5、ADC、DAC、同步系统等

差分晶振在现代高速 FPGA 系统中几乎是标配，是确保系统高速通信与同步性能的关键器件。

如果你有具体的 FPGA 型号 (如 Xilinx Zynq Ultrascale+、Intel Stratix 10)、差分晶振型号，或通信接口需求(如 PCIe Gen3/SFP+)，苏州杭晶可以帮你推荐最合适的时钟配置方案与原理图连接设计。

审核编辑 黄宇