LMKDB11xx系列：PCIe时钟缓冲器的卓越之选

在当今高速发展的电子世界里，PCIe技术的应用范围越来越广泛，从服务器到高性能计算系统，对时钟缓冲器的性能和稳定性提出了更高的要求。TI推出的LMKDB11xx系列，正是满足这些需求的理想解决方案。

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系列概述

LMKDB11xx系列包含LMKDB1102、LMKDB1104、LMKDB1104FS、LMKDB1108、LMKDB1108FS、LMKDB1112、LMKDB1120、LMKDB1120FS等型号，是一系列超低附加抖动的LP - HCSL时钟缓冲器和时钟复用器，其设计目标是满足PCIe Gen 1至Gen 7的应用需求。

核心特性亮点

1. 兼容性强：支持PCIe Gen 1到Gen 7的标准，同时兼容CC（Common Clock）和IR（Independent Reference）PCIe架构，输入时钟可带或不带SSC，还能适配Intel DB2000QL和DB1206标准，其中LMKDB1120与DB2000QL引脚兼容，LMKDB1112与DB1206引脚兼容。这种广泛的兼容性使得该系列产品能够轻松融入各种PCIe系统设计中，为工程师提供了极大的便利。
2. 超低附加抖动：在时钟控制领域，抖动是一个关键的性能指标。LMKDB11xx系列在这方面表现出色，如在156.25MHz时，最大12kHz至20MHz RMS附加抖动仅为31fs；对于PCIe Gen 4、Gen 5、Gen 6和Gen 7，最大附加抖动分别低至13fs、5fs、3fs和2.1fs。如此低的抖动能够确保时钟信号的稳定性和准确性，减少数据传输中的错误，提高系统的整体性能。
3. 多重安全特性：具备故障安全输入和输出（部分型号）功能。当设备掉电时，输入时钟仍可正常运行，输入引脚可在掉电时被驱动到VDD而不产生泄漏或可靠性问题；部分带“FS”后缀的型号，输出在掉电时也能被驱动到VDD。此外，还具备灵活的上电顺序、自动输出禁用、单个输出使能、SBI（Side Band Interface）高速输出使能或禁用以及LOS（Loss of Signal）输入检测等功能，大大增强了系统的可靠性和稳定性。
4. 供电与温度适应性：支持1.8V / 3.3V ± 10%的电源供电，能够适应不同的电源环境；工作环境温度范围为-40°C至105°C，适用于各种恶劣的工业和商业环境。

应用领域及案例

应用场景

该系列产品具有出色的性能和丰富的特性，适用于多个领域：

• 高性能计算：在服务器主板等高性能计算设备中，对时钟信号的稳定性和准确性要求极高。LMKDB11xx系列的超低抖动和高兼容性，能够满足服务器对高速数据传输和处理的需求，确保系统的稳定运行。
• 网络设备：如NIC/SmartNIC，需要精确的时钟同步来保证数据的准确传输。LMKDB11xx系列可以提供可靠的时钟信号，减少数据传输延迟和错误，提高网络设备的性能和可靠性。
• 硬件加速器：在一些需要高速数据处理的硬件加速器中，LMKDB11xx系列可以为其提供稳定的时钟源，确保加速器能够高效地运行，提高处理速度和效率。

设计示例

我们来看一个典型的PCIe和以太网时钟分配应用案例。设计要求为分别为PCIe时钟扇出和以太网时钟扇出找到合适的缓冲器，需要满足一定的抖动要求并尽量减小空间占用。具体设计参数如下：	参数	值
PCIe时钟数量	15
156.25MHz以太网时钟数量	7
PCIe架构	CC（Common Clock）
PCIe参考时钟摆率	≥3.5V/ns
PCIe Gen 5参考时钟抖动	45fs最大
PCIe Gen 5总抖动	50fs最大
156.25MHz参考时钟摆率	≥3.5V/ns
156.25MHz参考时钟抖动（12kHz至20MHz）	90fs最大
156.25MHz总抖动（12kHz至20MHz）	100fs最大

首先，通过RMS加法计算时钟缓冲器的抖动预算。对于PCIe Gen 5，允许的最大附加抖动为sqrt(50² - 45²) = 21fs，而根据电气特性表，在Common Clock和≥3.5V/ns输入摆率的测试条件下，LMKDB1120（20个输出）的附加PCIe Gen 5抖动最大为13fs，远低于要求，因此可用于PCIe Gen 5时钟分配。

同理，对于156.25MHz时钟，允许的12kHz至20MHz最大附加抖动为sqrt(100² - 90²) = 43fs，而LMKDB1108（8个输出）在该频率下的12kHz至20MHz附加抖动最大为31fs，满足要求，可用于以太网时钟分配。

电气特性与设计要点

详细电气特性

• 时钟输入要求：要求时钟输入交叉点电压在100 - 1400mV之间，输入占空比为45 - 55%等，不同的输入频率对差分输入幅度有不同要求，如f0 ≤ 300MHz时，差分时钟输入幅度为200 - 2000mV；300MHz < f0 ≤ 400MHz时，为250 - 2000mV。
• 时钟输出特性：不同的测试负载和输出阻抗下，输出电压高、低以及其他相关参数都有明确的范围。例如，在100MHz 85Ω PCIe测试条件下，DB2000QL AC测试负载时，输出电压高为670 - 820mV，输出电压低为 - 100 - 100mV等。同时，输出还具有可编程的摆率、幅度摆幅和精确的输出阻抗，输出阻抗可准确调整到±5%，有助于提高阻抗匹配和时钟信号完整性。
• 频率和时序特性：工作频率在自动输出禁用功能禁用时为1 - 400MHz，启用时为25 - 400MHz；启动时间、时钟稳定时间、掉电恢复时间等都有明确的指标，如启动时间在不同条件下为0.4 - 0.8ms等。
• 抖动特性：对于不同的PCIe版本和测试条件，抖动指标都有详细规定。例如，在PCIe Gen 5 CC模式下，输入摆率≥3.5V/ns，差分输入摆幅≥1600mV时，LMKDB1120的抖动最大为4.9fs，体现了其在低抖动方面的卓越性能。

设计建议

• 电源设计：建议在每个电源引脚附近放置0.1μF的电容，为了减少VDDA、VDD_IN0和VDD_IN1上的噪声，可在引脚旁边放置2.2Ω的电阻。整个芯片可使用铁氧体磁珠和10µF的电容接地。对于MUX设备，如果两个输入使用不同频率，则需要增加更多铁氧体磁珠来隔离输入和相应的输出组。
• 布局设计：使用低电感的接地连接，使设备DAP与PCB之间良好接地；匹配PCB走线阻抗与设备输出阻抗（85Ω或100Ω差分阻抗），消除走线中的短截线并减少传输线上的不连续性，以确保信号传输的质量。

寄存器映射与功能模式

寄存器映射

不同型号的LMKDB11xx系列产品有各自的寄存器映射，这些寄存器用于控制输出使能、自动输出禁用、输入配置、输出摆率选择等功能。例如，LMKDB1120和LMKDB1120FS有多个寄存器用于不同输出组的使能控制、SBI掩码设置、输出摆率选择等。通过对这些寄存器的配置，工程师可以灵活地调整设备的工作状态，以满足不同的设计需求。

功能模式

• SMBus模式：通过SMBus引脚可以对设备的SMBus寄存器进行读写操作，通过设置SADR1和SADR0引脚来确定SMBus地址。这种模式下可以进行字节读写和块读写操作，方便工程师对设备进行配置和监控。
• SBI模式：SBI是一种简单的3线或4线串行接口，由SHFT_LD#、SBI_IN、SBI_CLK和SBI_OUT（可选）引脚组成。当SHFT_LD#引脚为高电平时，SBI_CLK的上升沿将SBI_IN的数据移入移位寄存器；移位完成后，SHFT_LD#的下降沿将移位寄存器的内容加载到输出寄存器。SBI寄存器还可以通过SBI_OUT引脚移出，形成菊花链拓扑结构。启用SBI模式不会禁用SMBus，且在PWRGD/PWRDN#引脚为低电平时也可访问SBI寄存器。
• 引脚模式：如果不需要SMBus或SBI接口，可以让相应的引脚浮空，设备可以通过OE#引脚直接控制输出的使能或禁用，操作简单直接，适用于一些对配置要求不复杂的应用场景。

总结

LMKDB11xx系列PCIe时钟缓冲器以其卓越的性能、广泛的兼容性和丰富的功能特性，为电子工程师在PCIe相关设计中提供了强大而可靠的选择。无论是在高性能计算、网络设备还是硬件加速器等领域，它都能够满足严格的设计要求，帮助工程师打造出更加稳定、高效的电子系统。你在使用类似时钟缓冲器的过程中遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和想法。