集成晶體的可編程時(shí)鐘可提供多種設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)而無性能折衷

除了少數(shù)罕見的特例以外，幾乎所有的電子系統(tǒng)都至少擁有一個(gè)時(shí)鐘功能，這已經(jīng)不是新聞。在大多數(shù)情況下，該時(shí)鐘功能是通過采用石英晶體加上相關(guān)振蕩器或時(shí)鐘發(fā)生器集成電路實(shí)現(xiàn)，這種基本的實(shí)現(xiàn)方式可提供一個(gè)單一、固定頻率輸出，如圖1所示。

圖1：在一個(gè)基本的時(shí)鐘產(chǎn)生方案中，采用一個(gè)石英晶體和一個(gè)振蕩器/時(shí)鐘發(fā)生器IC來提供所需的時(shí)序信號(hào)。

如果所需要的只是一個(gè)單一的時(shí)鐘輸出，時(shí)鐘子系統(tǒng)的實(shí)施會(huì)非常簡(jiǎn)單。但對(duì)于當(dāng)今復(fù)雜的電子產(chǎn)品，一個(gè)單一的時(shí)鐘遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，多數(shù)產(chǎn)品都需要幾個(gè)不同的時(shí)鐘用于各種外部連接接口（如以太網(wǎng)、PCI、RapidIO和USB端口等等），另外也需要幾個(gè)時(shí)鐘用于內(nèi)部功能（一個(gè)系統(tǒng)處理器以及專門的子系統(tǒng)）。

要提供所有這些彼此互不相關(guān)的時(shí)鐘，顯而易見的解決方案是采用多個(gè)晶體，每個(gè)晶體都有與其相關(guān)聯(lián)的時(shí)鐘發(fā)生器。這種途徑技術(shù)上是可能的，但是沒有任何吸引力，因?yàn)檫@種方案會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)許多問題，如需要更大的印刷電路板空間、電路板布局的挑戰(zhàn)、復(fù)雜的材料清單（BOM）以及成本等等。結(jié)果是，除了科學(xué)儀器等一些非常特殊的情況，此時(shí)的時(shí)鐘必須滿足極端或獨(dú)特的指標(biāo)要求，上述方法并不可行。

人們更傾向于采用的更好解決方案是使用一個(gè)多路輸出時(shí)鐘發(fā)生器，由一個(gè)IC提供來源于單一晶體的多個(gè)彼此不相關(guān)的頻率，如圖2所示。這種方法克服了使用多對(duì)晶體和時(shí)鐘IC產(chǎn)生的許多問題，因?yàn)樵摲桨竷H需要一個(gè)單一晶體和相關(guān)的時(shí)鐘發(fā)生器，就可以為系統(tǒng)產(chǎn)生所有獨(dú)立的時(shí)鐘。

圖2：一個(gè)典型的產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要一個(gè)彼此不相關(guān)的時(shí)鐘陣列，跨越范圍廣闊的頻率和信號(hào)格式。這些可以通過采用單一晶體和多輸出時(shí)鐘發(fā)生器IC而輕松實(shí)現(xiàn)。

進(jìn)一步講，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可受益于采用一個(gè)可編程時(shí)鐘發(fā)生器。該發(fā)生器并不是產(chǎn)生固定的輸出頻率，用戶可以根據(jù)一個(gè)產(chǎn)品的具體要求來把輸出設(shè)置到他們需要的頻率，或者在用戶產(chǎn)品系列的多個(gè)產(chǎn)品中采用同樣的時(shí)鐘發(fā)生器IC。

使用單一的時(shí)鐘發(fā)生器IC當(dāng)然能夠簡(jiǎn)化系統(tǒng)的BOM，對(duì)于設(shè)計(jì)師來說更有其他的好處。由于他們并不再需要其他元器件的數(shù)據(jù)表，并了解其正常工作所需的細(xì)節(jié)要求，如電源電壓詳情、布局準(zhǔn)則、輸出負(fù)載參數(shù)、各種公差等等，因而可以節(jié)省許多設(shè)計(jì)時(shí)間。除了最簡(jiǎn)單的集成電路，了解這些細(xì)節(jié)屬于設(shè)計(jì)周期一個(gè)自然的組成部分，往往都在所難免的。在設(shè)計(jì)周期中，設(shè)計(jì)和物料清單中使用“我很陌生”的IC數(shù)量越少，產(chǎn)品面市的時(shí)間就越短。

然而，即使采用了可編程的多輸出時(shí)鐘發(fā)生器，外部晶體仍是一個(gè)大問題。首先，無論采用多小封裝尺寸的晶體，它還是會(huì)占去不少在許多設(shè)計(jì)中都非常寶貴的電路板空間。此外，隨著當(dāng)今的時(shí)鐘達(dá)到GHz水平，電路板上晶體和時(shí)鐘發(fā)生器IC之間很短距離的布線可能產(chǎn)生潛在的噪聲和EMI/RFI（電磁干擾/射頻干擾）問題，造成附加的抖動(dòng)、偏移（skew）和失真，從而降低時(shí)鐘輸出的性能。需要注意的是，即使晶體和時(shí)鐘發(fā)生器本身都是“完美”的，但在目標(biāo)負(fù)載處所看到的最終時(shí)鐘性能會(huì)因PCB布局而受到影響。

最后，在采用不同的廠商提供晶體時(shí)，會(huì)出現(xiàn)由于生產(chǎn)過程不同導(dǎo)致出現(xiàn)的產(chǎn)品性能一致性問題。在晶體的指標(biāo)中有許多二級(jí)細(xì)節(jié)差別，這些同樣也會(huì)影響它們的性能和彼此互動(dòng)，而且往往無法預(yù)判。因此，來自一個(gè)供應(yīng)商的晶體也許可以正常工作，但是來自其他廠商表面上相同的晶體卻可能存在“細(xì)微”的特性差別，使性能發(fā)生改變，這種問題可能會(huì)成為制造和生產(chǎn)測(cè)試中的重大難題。

共封裝解決方案
解決由晶體和鄰近的時(shí)鐘發(fā)生器IC導(dǎo)致出現(xiàn)的問題的方法顯而易見，至少在理論上是這樣：把晶體和振蕩器IC置于同一封裝內(nèi)，使其緊密靠近（或堆疊）振蕩器IC。封裝技術(shù)的最新進(jìn)展使得共封裝變得可行，并且被廣泛應(yīng)用于多IC設(shè)計(jì)，如采用一種半導(dǎo)體工藝制造的處理器與采用另一種工藝制造的存儲(chǔ)器的整合封裝。

顯然，將時(shí)鐘發(fā)生器IC硅片放置在晶體頂部可以節(jié)省印刷電路板空間。但是，這種集成技術(shù)以前只適用于單一頻率的時(shí)鐘發(fā)生器，不能體現(xiàn)出用一個(gè)集成式晶體和時(shí)鐘發(fā)生器IC提供多個(gè)時(shí)鐘的好處。換句話說，如果用以往的共封裝技術(shù)解決問題很有局限性，這種局限性導(dǎo)致的問題比它試圖解決的問題更大。

[注意，一些廠商正在提供基于MEMS技術(shù)的替代產(chǎn)品來取代晶體振蕩器。通過采用基于MEMS的振蕩器電路，可以得到一個(gè)體積更小、單芯片或雙芯片共封裝的時(shí)鐘解決方案?？傮w來說，這些器件的性能對(duì)于某些應(yīng)用已經(jīng)足夠，但不適合于所有應(yīng)用，而且，只適用于單一頻率時(shí)鐘輸出。因此，即使采用MEMS振蕩器，依然不能解決支持多輸出和可編程的巨大問題]

封裝技術(shù)的突破避免了性能折衷
幸運(yùn)的是，現(xiàn)在已經(jīng)擁有了一個(gè)替代方案，不再需要在一個(gè)共封裝、單一頻率時(shí)鐘發(fā)生器與獨(dú)立的晶體外加一個(gè)可編程多輸出器件之間進(jìn)行選擇。IDT公司的VersaClock5系列包括多款器件，其中集成式、共封裝的晶體置于一個(gè)多輸出時(shí)鐘發(fā)生器硅片的下方，這些集成器件采用標(biāo)準(zhǔn)的塑料封裝，與單獨(dú)的時(shí)鐘發(fā)生器IC具有相同的占位面積和0.9mm（標(biāo)稱）高度，如圖3所示。

圖3：IDT公司VersaClock5系列中的幾款產(chǎn)品把時(shí)鐘IC硅片放置于石英晶體頂部形成同一封裝，從而以單一封裝得到一個(gè)完整的多輸出時(shí)鐘源和發(fā) 生器，其尺寸并不比單獨(dú)的時(shí)鐘發(fā)生器更大。

這里我們通過仔細(xì)分析VersaClock5系列中的一款共封裝器件來展示其功能、性能、以及性能方面的不折衷。 4 × 4mm 5P49V5935器件能產(chǎn)生多達(dá)4個(gè)獨(dú)立的輸出頻率（差分模式下頻率高達(dá)350 MHz），每個(gè)輸出都可配置為LVDS、LVPECL、HCSL或雙LVCMOS，每個(gè)輸出都具有單獨(dú)可選輸出電壓（1.8V，2.5V和3.3V），見圖4，其中四個(gè)輸出都具有單獨(dú)可編程輸出使能、擺率控制和擴(kuò)頻功能。

圖4：5P49V5935設(shè)有4個(gè)輸出，每個(gè)都可以按照頻率、輸出類型和其他重要屬性而獨(dú)立配置。

如圖5所示，5P49V5935器件具有不到700fs RMS（均方根）的相位抖動(dòng)，可滿足諸如1G/10G以太網(wǎng)和PCI Express Gen 1，2，3等標(biāo)準(zhǔn)非常具有挑戰(zhàn)性的要求，也可滿足許多廣泛使用的SoC和FPGA的時(shí)鐘產(chǎn)生要求。由于該器件的內(nèi)核電流消耗僅為30mA，不會(huì)消耗更高的功率。

圖5： VersaClock5系列中5P49V5935的抖動(dòng)性能表明，沒有產(chǎn)生任何性能折衷：從12 kHz至20 MHz頻率下，抖動(dòng)低于700 fs，與采用外置晶體的標(biāo)準(zhǔn)解決方案相比旗鼓相當(dāng)或者更優(yōu)。

在把兩個(gè)高頻元件放置如此靠近時(shí)（即本例中的石英晶體和時(shí)鐘IC），所擔(dān)心的問題是由于兩個(gè)元件之間微妙的相互作用而可能導(dǎo)致性能下降，如圖6所示。在VersaClock5產(chǎn)品系列中的5P49V5935情況下，沒有任何負(fù)面影響，其關(guān)鍵性能指標(biāo)與兩個(gè)器件方案相比旗鼓相當(dāng)甚至更好。

圖6：由于了先進(jìn)的內(nèi)部組裝和封裝創(chuàng)新，在采用5P49V5935時(shí)不會(huì)有性能或尺寸大小的折衷。

采用VersaClock5產(chǎn)品系列的一體化晶體IC能夠減小電路板空間，當(dāng)然也針對(duì)單一產(chǎn)品簡(jiǎn)化了BOM，而對(duì)于一系列的產(chǎn)品線更是如此。采用VersaClock5產(chǎn)品系列也有一些隱含的好處，但同樣也很重要。像5P49V5935之類的集成元件可以保證晶體與時(shí)鐘發(fā)生器配對(duì)工作時(shí)的性能表現(xiàn)，不再需要對(duì)電路和布局進(jìn)行微調(diào)以便適應(yīng)晶體的特定負(fù)載參數(shù)，這種一致性和在其它設(shè)計(jì)中的可重用性縮短了設(shè)計(jì)周期。

把時(shí)鐘IC芯片置于晶體之上聽起來像是一件非常容易實(shí)現(xiàn)的事情，但事實(shí)上不是這樣，尤其是在要求不可影響性能時(shí)更加困難。IDT公司VersaClock 5產(chǎn)品系列的這些產(chǎn)品采用堆疊式、共封裝設(shè)計(jì)，為工程師提供多輸出、可編程時(shí)鐘發(fā)生器，它雖然使用外部晶體，但卻擁有一個(gè)不比單獨(dú)的時(shí)鐘IC更大的單一封裝。這種組合式時(shí)鐘源的技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)“鎖定”，因此，不會(huì)由于布局、噪聲或晶體的變化而出現(xiàn)意想不到的問題。它是一種技術(shù)上非常穩(wěn)定可靠的解決方案，沒有性能折衷，并具有出眾的時(shí)鐘性能指標(biāo)、低功耗和小尺寸。