高性能PCIe Gen7 1.8V扇出缓冲器RC191xx：特性、应用与设计指南

在当今高速发展的电子领域，PCIe技术不断演进，对时钟缓冲器的性能和功能提出了更高的要求。Renesas的RC191xx系列PCIe Gen7 1.8V扇出缓冲器以其卓越的性能和丰富的特性，成为众多应用的理想选择。本文将深入探讨RC191xx系列的特点、应用场景以及设计要点，为电子工程师提供全面的参考。

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一、RC191xx系列概述

RC191xx系列包括RC19108、RC19104和RC19102三款产品，是超高性能的扇出缓冲器，支持PCIe Gen1 - 7。该系列具备Loss - Of - Signal (LOS)输出功能，可用于系统监控和冗余设计。同时，还集成了Power Down Tolerant (PDT)和Flexible Startup Sequencing (FSS)特性，大大简化了系统设计。它能够驱动源端接和双端接负载，工作频率最高可达400MHz。

在封装方面，提供2、4或8个低功耗（LP）HCSL输出对，采用3×3、4×4和5×5 mm的封装形式，相比早期缓冲器系列，在更小的封装内实现了更高的输出数量。此外，该系列支持Common Clock (CC)和Independent Reference (IR)两种PCIe时钟架构。

二、应用场景

1. 云计算与高性能计算

在云计算和高性能计算领域，对数据传输速度和稳定性要求极高。RC191xx系列的低抖动特性和高频率支持，能够确保时钟信号的准确传输，满足系统对高速数据处理的需求。

2. nVME存储

nVME存储设备需要高速、稳定的时钟信号来保证数据的读写速度和准确性。RC191xx系列的高性能时钟缓冲功能，能够为nVME存储提供可靠的时钟支持。

3. 网络通信

网络设备对时钟信号的质量和稳定性要求严格。RC191xx系列的LOS输出功能和低抖动特性，可有效提高网络设备的可靠性和性能。

4. AI加速器

AI加速器在处理大量数据时需要高速、精确的时钟信号。RC191xx系列的高性能和灵活性，能够满足AI加速器对时钟的严格要求。

三、产品特性

1. 低相位抖动

PCIe Gen5的附加相位抖动典型值为5.9fs RMS，Gen6为3.5fs RMS，Gen7为2.4fs RMS。在不同的PCIe世代和时钟架构下，都能保持极低的相位抖动，确保时钟信号的准确性。

2. 电源关断耐受（PDT）输入

PDT输入允许在设备断电时驱动信号，且不会对设备造成损坏，提高了系统的可靠性和灵活性。

3. 灵活启动时序（FSS）

FSS特性允许在设备/系统启动序列的不同时间施加CLKIN，有助于系统设计师应对不同的启动需求。

4. 自动时钟停车（ACP）

当检测到CLKIN信号丢失时，ACP功能会自动将输出设置为低/低状态，避免输出信号的不稳定。

5. 扩频耐受

能够耐受扩频信号，确保在复杂的电磁环境下正常工作。

6. 宽输入信号电平支持

CLKIN可接受HCSL或LVDS信号电平，提高了与不同信号源的兼容性。

7. 宽工作温度范围和电源电压

可在 - 40至 + 105°C的温度范围内工作，电源电压为1.8V ± 5%，适应各种恶劣的工作环境。

8. 可配置输出特性

通过引脚或SMBus可选择33Ω、85Ω或100Ω的差分输出阻抗、输出摆率和输出幅度，满足不同应用的需求。

四、引脚信息

1. 信号类型

文档中详细定义了各种信号类型，如输入（I）、输出（O）、开漏输出（OD）、双向（I/O）等，并对每个信号类型的特点进行了说明。部分引脚具有内部上拉和下拉电阻，可将引脚偏置到VDD/2，还有一些引脚为多模式，根据不同模式具有内部上拉或下拉电阻。

2. 各型号引脚描述

针对RC19108、RC19108A001、RC19104、RC19104A001和RC19102等不同型号，分别详细描述了每个引脚的功能和特性。例如，LOSb引脚为开漏输出，用于指示输入信号丢失，需要外部上拉电阻；SADR_tri引脚为三态输入，用于解码SMBus地址等。

五、规格参数

1. 绝对最大额定值

规定了设备在各种情况下的最大额定值，如电源电压、输入电压、输入电流、输出电流、最大结温、存储温度和ESD等，确保设备在安全的范围内工作。

2. 热规格

给出了不同封装形式下的热特性参数，如结到外壳、结到基板、结到环境的热阻等，帮助工程师进行散热设计。

3. 电气规格

（1）相位抖动

详细列出了PCIe不同世代和不同时钟架构下的相位抖动参数，包括典型值、最大值和规格限制，为工程师评估设备的时钟性能提供了重要依据。

（2）输出频率、启动时间和LOS时序

规定了设备的输出频率范围、启动时间和LOS信号的断言和去断言时间等参数，确保设备在不同工作条件下的稳定性。

（3）CLK AC/DC特性

包括输出电压、交叉电压、摆率、上升/下降时间匹配等参数，针对不同的负载类型（PCIe和非PCIe）和输出阻抗设置，给出了详细的电气特性数据。

（4）CLKIN AC/DC特性

规定了输入时钟的最大电压、交叉电压、输入摆幅和输入摆率等参数，确保输入时钟信号的质量。

（5）I/O电气特性

包括输入高电压、输入低电压、输出低电压、输入泄漏电流等参数，为工程师设计输入输出电路提供了参考。

（6）电源供应特性

给出了不同型号和不同负载条件下的电源电流参数，包括工作电流和电源关断电流，帮助工程师进行电源设计。

（7）SMBus电气特性

适用于除RC19102外的其他型号，规定了SMBus的直流和交流电气特性，如输入高电压、输入低电压、时钟频率、总线空闲时间等参数，确保SMBus通信的可靠性。

六、测试负载

文档中给出了不同测试场景下的负载参数，包括AC/DC测试负载和PCIe相位抖动测量测试负载，为工程师进行设备测试提供了指导。

七、SMBus串行接口信息

1. 读写操作

详细描述了如何通过SMBus接口进行读写操作，包括控制器发送的起始位、地址、数据字节等步骤，以及设备的响应方式。

2. 位类型

定义了SMBus的位类型，如只读（RO）、读写（RW）、写1清零（RW1C）等，方便工程师进行寄存器操作。

3. 写锁功能

介绍了写锁功能的实现方式，通过WRITE_LOCK寄存器可以对SMBus进行写保护，确保设备配置的安全性。

4. 地址解码

给出了SMBus地址解码表，通过SADR_tri引脚的不同组合可以解码不同的SMBus地址。

5. 寄存器描述

详细描述了SMBus的各个寄存器的功能和位域定义，如OUTPUT_ENABLE用于控制输出使能，LOS_CONFIG用于配置LOS信号的工作模式等。

八、应用设计建议

1. 输入输出处理

（1）未使用的单端控制输入

单端控制引脚具有内部上拉和/或下拉电阻，若默认引脚状态满足需求，可留空。若需要改变引脚状态或增强设计鲁棒性，建议使用10kohm的外部电阻。

（2）未使用的差分CLK输出

所有未使用的CLK输出可留空，但建议不连接走线，并使用OEb引脚禁用输出，以减少干扰。

（3）未使用的SMBus时钟和数据引脚

若不使用SMBus接口，时钟和数据引脚需用外部电阻上拉。若可能用于调试，建议使用单独的电阻，推荐阻值为10kohm。

2. 差分CLK输入配置

RC191xx系列时钟输入缓冲器支持四种配置：直接连接到HCSL电平时钟、AC耦合连接到LVDS电平时钟并使用外部终端电阻、使用内部自偏置电路进行AC耦合输入、使用内部下拉电阻进行时钟输入终端。不同配置通过AC_IN和Rx_TERM位进行设置。

3. 差分CLK输出配置

（1）直接耦合HCSL负载

LP - HCSL CLK输出具有内部源端接，可直接驱动行业标准的HCSL电平输入，支持85ohm和100ohm的差分阻抗，也可驱动接收端接的HCSL负载。

（2）AC耦合非HCSL负载

CLK输出可直接驱动AC耦合电容，时钟输入侧可能需要输入相关的偏置网络。对于与其他逻辑系列（如LVDS、LVPECL或CML）的连接，可参考AN - 891文档。

4. 电源关断耐受引脚

PDT引脚允许在设备未供电时驱动信号，对设备无不良影响，且支持3.3V电压耐受，适用于不同电源启动时间的系统设计。

5. 灵活启动时序

支持灵活的启动序列，CLKIN可在VDD应用之前运行，或者VDD应用后可在无输入时钟的情况下等待较长时间，为系统设计提供了更大的灵活性。

6. 信号丢失和自动时钟停车

具备信号丢失（LOS）检测电路，通过LOSb引脚和SMBus寄存器中的LOS_EVT位指示输入时钟的存在或缺失。当检测到LOS事件时，自动时钟停车（ACP）电路可将输出设置为低/低状态。

7. 输出使能控制

提供两种机制来启用或禁用时钟输出：SMBus输出使能位和输出使能（OEb）引脚。两种机制都能实现同步、无毛刺的输出控制，但需要CLKIN运行才能正常工作。

九、总结

Renesas的RC191xx系列PCIe Gen7 1.8V扇出缓冲器以其高性能、丰富的特性和灵活的设计，为PCIe系统提供了可靠的时钟解决方案。在不同的应用场景中，能够满足对时钟信号质量和稳定性的严格要求。工程师在设计过程中，应根据具体应用需求，合理选择设备型号和配置参数，并遵循文档中的设计建议，以确保系统的可靠性和性能。同时，要注意设备的测试和验证工作，确保其符合规格要求。你在使用RC191xx系列产品时，遇到过哪些挑战呢？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。