本文剖析了晶振模块和PLL组成器这两种首要的体系时钟源的特色，并要点论述了PLL组成器相关于晶振模块的代替优势。
在所有电子体系中，时钟相当于心脏，时钟的功用和安稳性直接决议着整个体系的功用。典型的体系时序时钟信号的发生和分配包含多种功用，如振动器源、转化至规范逻辑电平的部件以及时钟分配网络。这些功用可以由元器材芯片组或高度集成的单封装来完结，如图1所示。
体系时钟源需求牢靠、准确的时序参阅，一般所用的便是晶体。本文将比较两种首要的时钟源——晶体振动器(XO，简称晶振)模块和锁相环(PLL)组成器，并讨论高功用PLL的开展趋势。
图1完好时钟解决计划。
常见的体系时钟源
如今十分杂乱的体系规划或许需求分配多个逻辑规范和多个频率的时钟信号副本。某些板子也或许需求在几个要求零推迟缓存和沿(上升下降沿斜率)调整缓存的元件之间有准确的沿和同步特性。时钟的多个副本或许需求一个扇出缓存用于多路输出分配。时钟的倍频器或许需求一个PLL组成器。所有这些要求可以结合在一个有挑战性的时钟树型规划中。
关于晶振模块和PLL组成器这两种首要的体系时钟源而言，它们各有其优劣势。典型的体系晶振时钟源一般运用的是石英晶体谐振器，虽然这种分立的双器材解决计划(由单
独的晶体和IC组成)是可被代替的。为使振动器作业，石英晶体有必要处于动态信号环路中，由增益扩大反向器补偿晶振损耗、调理相位偏移并匹配阻抗。增益扩大器也有必要驱动信号到规范逻辑输出电平的转化，以便体系时钟分配网络运用，且终究由时钟接收器运用。 图2显现的是典型的晶体振动器时钟的结构示意图。
图2：典型的晶体振动器时钟。
从作业原理上讲，石英晶体振动器是运用石英晶体(二氧化硅的结晶体)的压电效应制成的一种谐振器材。若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会发生机械变形。反之，若在晶片的两 侧施加机械压力，则在晶片相应的方向大将发生电场，这种物理现象称为压电效应。如果在晶片的南北极上加交变电压，晶片就会发生机械振动，一起晶片的机械振动又会发生交变电场。在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅十分细小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅显着加大，比其他频率下的振 幅大得多，这种现象称为压电谐振。
晶体振动器的频率准确性(针对特定数据表方针)一般表明以+/-PPM(每百万零件)规模误差的均值。更准确的晶体振动器或许更贵重，如更高频晶体振动器。独自的频率准确度特性由有用位数和不确定性误差规模、单位以PPM表明。有各种准确性和精度不同的晶体振动器模块。晶体振动器的边际颤动或相位噪声是准确性和精度的独立参数。晶体振动器时钟模块总时钟颤动的单位是皮秒(ps)，而相位噪声仅当规则逾越边带频率规模时有用。
关于晶体振动器时钟而言，它一般限制在一个频率作业，而且常常只要一个单端逻辑输出引脚或一个差分输出对。振动作业或许在晶振根本形式或谐振超调形式中进行。
晶体振动器时钟的长处包含结构简略和噪声低，以及可为客户供给准确的定制频率等方面;但另一方面，它的缺陷也比较显着，例如其频率仅由晶体决议，一般是特定晶体被制成客户所需的振动器，导到生产本钱高、交货周期较长，不利于客户加速产品上市时刻，而且难以取得非规范的频率。此外，晶体振动器也存在着牢靠性等方面的问题。在这种情况下，许多客户多年来都在寻找着合适的晶体振动器的代替计划。
与晶体振动器比较，PLL组成器是一种更为杂乱的体系时钟源。其间，单从PLL来讲，它一般由相频检测器(PFD)、电荷泵、低通滤波器 (LPF)和压控振动器(VCO)等组成。而通用的PLL组成器时钟发生器一般需求外部晶体以及扩大反向器，并再经过彻底集成的PLL和逻辑电路来完结。PLL组成器还可以完成其它更高的功用和特性，如晶体频率倍频、输出相位校准、多个输出副本和对输出进行分频等。图3显现 的是典型PLL组成器的结构示意图。
图3：典型的PLL组成器时钟结构示意图。
关于PLL组成器来说，先进的芯片电路集成让PLL组成器供给广泛的扇出功用，用于时钟信号副本的分配。如PLL组成器能供给20个差分输出对，或运转到40个单端时钟接收器。可选扇出使能功用， 并可结合倍频或分频，得到独立封装中广泛输出的灵活性。
PLL组成器相关于晶振模块的代替优势
关于相同的时钟运用而言，PLL组成器时钟可运用较为廉价的低频晶体，这种晶体可以作业在比晶振模块更低的谐波频率。一般频率越高的晶体的价格也越贵，而且或许需求更长的交货周期。
此外，选用单个PLL组成器IC即可代替体系中的多个晶振模块，这就无需扇出缓冲器或转化器，然后带来安定的本钱下降。相关于晶振模块，PLL组成器可以供给多个逻辑系列输出等级、优化扇出板面积，并凭仗运用更少的机械元件而供给了体系的牢靠性。
总的来看，在体系规划中选用PLL组成器，可以取得具有竞赛力的相位噪声和安稳功用，具有更宽的频率输出规模和更高的规划灵活性，可以削减所用元器材数量，然后削减物料清单(BOM)，下降体系总本钱，并缩短产品的交货周期。
具有竞赛优势的时钟发生和时钟分配解决计划
在时序产品商场，安森美半导体具有广大的产品线，并继续进行技能创新和产品阵型拓宽。以时钟分配器材为例，安森美半导体的产品包含ECLinPSTM、ECLinPS MAXTM和GigaCommTM等系列。安森美半导体是射极耦合逻辑(ECL)产品的的商场和功用抢先者，不只前史最为悠长(历经逾越25年的开展)，而且具有最大的ECL产品阵型，逾越竞赛对手3倍。此外，安森美半导体具有极佳的工艺技能，并具有业界抢先的测验和评价办法，确保了产品的质量和牢靠性。安森美半导体更继续进行产品创新和功用提高。
例如，安森美半导体近期针对计算机、数据存储、网络和消费运用中的差分时钟HCSL输出供给新的时钟分配器材—— NB4N121K 和 NB4N111K。这两款器材合适100、133、166、200、266、333 和4
00 MHz等典型频率，为内存模块 (FBDIMM)频率运用。这两款器材选用先进CMOS 工艺技能制作，功用远超竞赛产品——发生仅 0.3 皮秒 (ps) 的相加相位颤动和缺乏100 ps的输出至输出skew。(每个差分对的最大传输推迟变异Δtpd为100 ps。)竞赛性器材的典型颤动逾越 1 ps时，Skew远高于 100 ps。因而，安森美半导体最新的 ECLinPS™ 器材为体系规划人员供给更多的规划余量。两款器材的时钟输入引脚还内部整合了 50 欧姆 (Ω) 的片内端接 (ODT) ，削减元件数量和简化电路板布线。
而在时钟发生器材方面，安森美半导体的PureEdgeTM产品系列被证明是业界现有最佳的根据锁相环(PLL)且具有低相位噪声的时钟发生技能。安森美半导体新的PureEdgeTM亚皮秒均方根(RMS)颤动PLL时钟选用5 mm × 7 mm模块装备，与晶体振动器和压控晶体振动器引脚兼容，不只可作为贵重的晶体振动器的代替解决计划，且比竞赛对手的PLL产品具有更佳的功用和本钱。从表1中可以看出安森美半导体的PLL组成器(晶体+PLL)在相位颤动功用上比晶振及同类的竞赛器材具有显着的优势。
表1：不同竞赛器材的颤动功用比较
高功用PLL的开展趋势
如上所述，PLL组成器与传统的晶体振动器比较具有多种优势。接下来，咱们将结合安森美半导体近期推出的几款高功用PLL时钟器材，讨论高功用PLL的开展趋势。
这其间很重要的趋势便是扩展的频率规模和更低的颤动噪声，可作为晶体振动器的代替模块。例如，安森美半导体推出的NBXDBA012、NBXDBA014和NXTBA015LN1TAG等几款时钟模块均具有扩展的频率规模和极低的相位颤动。例如，NBXDBA012是一款规划用于满意当今3.3 V低压正射极耦合逻辑(LVPECL)时钟发生运用的双频率晶体振动器。这器材运用了高Q根本晶体和PLL时钟乘法器，可以供给可供挑选的106.25 MHz或212.5 MHz频率，并能供给超低颤动和相位噪声的LVPECL差分输出。它在12 kHz到20 MHz频率的颤动和相位颤动仅为0.4 ps，合适1X和2X光纤信道(Fiber Channel)以及主总线适配器运用。NBXDBA014的一些重要参数与NBXDBA012相同，仅仅它所供给的2个可供挑选的频率分别为62.5 MHz和125 MHz。与NBXDBA012、NBXDBA014不同，NXTBA015LN1TAG是一款200/206 MHz PECL时钟模块，它的一项重要特性是具有可挑选的5%输出频率改动，答应方便地调整体系时序裕量。它在200 MHz的均方根(RMS)相位颤动也为极低的0.4 ps。
在代替相同归于硅器材的竞赛性产品方面，PLL时钟器材也在往更高功用开展。例如，安森美半导体的NB3N3001和NB3N3011这两款合适光纤信道和串行ATA(SATA)运用的高功用PLL时钟发生器带来优于竞赛产品50%的相位颤动。其间，NB3N3001可发生106.25 MHz和212.5 MHz频率，而NB3N3011可发生100 MHz和106.25 MHz频率。这两款器材具是备LVPECL差动输出的3.3 V时钟发生器，选用先进CMOS工艺，在相位噪声上的体现大幅逾越竞赛产品，可以比美贵重的外表声波(SAW) 晶振器。其间，NB3N3001仅0.3 ps的相位颤动比起竞赛产品的0.7 ps具有重要优势，为体系规划工程师名贵的时序本钱预算保留了更富余的空间。这两款器材的引脚摆放与功用相同的竞赛产品ICS843001与ICS843011彻底兼容，可以直接代代替，然后为客户带来具有更佳功用和本钱的另一挑选。
图4：NB3N3001的简化逻辑结构示意图。
此外，在HCSL时钟发生器方面，安森美半导体供给具有4种可供挑选频率的高功用PLL器材，如NB3N3002和NB3N5573。这两款器材可以供给的输出频率均为25/100/125/200 MHz，并都支撑PCI Express (PCIe)和以太网要求。NB3N3002供给低于1 ps的相位颤动，而NB3N5573 与功用相竞赛的器材ICS557-03引脚兼容，可以代替这器材。在没有选用扩频功用下，NB3N5573供给更佳的颤动功用，使其在不需求同步状况信息 (SSM)下更发挥价值。
而在晶体至HCSL/LVPECL时钟发生器方面，安森美半导体的NB3N3003和NB3N3004也都供给四种可供挑选的频率，分别是100/133/166/200 MHz 和200/266/333/400 MHz。这两款器材都可HCSL/LVPECL差分输出，支撑PCI Express和
以太网要求，并支撑扩频(-0.5, -1.0, -1.5% @32 KHz)。
除了上述运用的高功用PLL时钟器材，安森美半导体还首先供给能在-45℃至85℃全工业温度规模操作的可编程PLL组成时钟NB124XX/A。该系列是多用途组成时钟源，它的内部VCO作业在200至400 MHz (12429)或400至800 MHz (12430/12439)的频率规模。经过无论是串行或是并行装备，VCO频率可以被设定和分频，以供给PECL输出所需的精密频率距离度。PLL环路滤波器现已彻底集成，所以无需外部元件。它的运用商场包含服务器、网络以及通用运用。
除了NB124XX/A这种支撑全工业温度规模的PLL组成时钟，安森美半导体还推出一种可装备多协议时钟发生器，它支撑的协议包含1/8光纤信道、1/4光纤信道、HDTV、PCIe、OC3-OC48和XAUI等很多种协议，十分合适于多事务接入渠道和多速率时钟和数据康复单元(CDR)运用。
此外，针对手机、个人数字助理(PDA)等运用对时钟器材在低功率、小封装和更低电磁搅扰(EMI)等方面的要求，安森美半导体也供给相应的极低功率专用扩频时钟发生器，包含NB2XXXA系列的多款器材。这些器材具有专有的全数字调制技能，其EMI下降多达14 dBm，选用极小的3 mm × 3 mm 6引脚TSOP封装，其共用占位面积答应在调制和扩频方面进行改动，而不会导致布线改动。这系列器材合适于手机、PDA和打印机等运用。
