電子發(fā)燒友網報道（文/程文智）不論我們設計的電子產品是應用在云計算、無線LTE、數據中心，還是物聯網、汽車、醫(yī)療保健，或者是航空航天等領域，系統(tǒng)內必然需要時鐘產品的支持，時鐘產品就如人類的脈搏一樣，只有在時鐘的支持下，電子產品才能正常工作。

那么時鐘產品有哪些種類，它們分別有什么特性，工程師在選用的時候需要注意些什么呢，我們今天就來一起聊一聊。

時鐘產品的分類

時鐘產品主要分為兩大類，一類是異步時鐘產品，它的功能是給本地單板提供工作時鐘，包括晶振、時鐘發(fā)生器，及時鐘緩沖器等等；另一類是同步時鐘產品，它的功能是跟蹤上下游時鐘產生同步之后的時鐘給下游使用，它主要包括濾抖芯片、同步以太網（SyncE）和IEEE1588時鐘產品等。

具體一點來分的話，工程師常用的時鐘產品主要是六個大類：

一是振蕩器，包括MEMS振蕩器和石英振蕩器，TCXO、MCXO、OCXO、EMXO、VCXO、VCSO都是石英振蕩器。值得一提的是MEMS振蕩器和石英振蕩器是有本質不同的。

二是時鐘生成器，主要是低抖動、低功耗的時鐘發(fā)生器。

三是時鐘分配器，它實際上是時鐘緩沖器，包括低附加抖動的各種各樣的緩沖器。詳細來看，有扇出緩沖器，零延時緩沖器，分頻器和多路開關等。

四是抖動衰減產品，這類主要用在網絡里，或者是上下游，進行時鐘濾抖的，比如抖動濾波，時鐘轉換等。

五是時鐘同步產品，包括同步以太網時鐘芯片和IEEE1588的時鐘芯片。

六是其他簡單的時鐘器件，包括555定時器，邏輯轉換器，交叉點開關，觸發(fā)器/邏輯門等等。

接下來我們來看一看這些不同類型的時鐘產品都有哪些特點，在選用不同類型的時鐘產品時，有哪些注意事項。

晶體振蕩器和MEMS振蕩器

振蕩器產品分為兩類，一類是傳統(tǒng)的石英晶體振蕩器，第二大類是MEMS振蕩器。

對于傳統(tǒng)的石英晶體振蕩器，它們通常是屬于模塊，而不是傳統(tǒng)意義上基于硅的芯片，MEMS振蕩器則是傳統(tǒng)意義上的芯片。為什么這么說呢？

對于傳統(tǒng)的石英晶體振蕩器，通常有晶體、XO、VCXO、TCXO、OCXO等幾種。

對于晶體而言，雖然它內部有振蕩電路，但是由于晶體是無源的，一般無法進行獨立振蕩，用戶通常需要在外面加上合適的電阻和電容，構成外部諧振電路，才能讓它產生用戶需要的頻率。

XO或時鐘振蕩器是最基礎的振蕩器，由晶體和基本驅動電路組成，內部不但集成了諧振電路，還集成了驅動電路。因此，用戶只需要提供一個穩(wěn)定的電源，就能產生所需要的頻點。但是由于沒有任何形式的補償，頻率穩(wěn)定基本上是依靠晶體本身的特性。

VCXO，即壓控晶體振蕩器，它內部有一個VC的壓控端，用戶可以通過調整VC壓控端的電壓，從而讓VCXO成為了一個頻率可以微調的時鐘輸出。也就是說，它可以依賴石英晶體的特性，通過施加外部電壓來控制振蕩器的輸出頻率變化。

TCXO，即溫補晶體振蕩器，通過附加的溫度補償電路來補償因環(huán)境溫度變化而引起的振蕩器頻率變化。它的內部包含一個溫度補償電路，當外部環(huán)境溫度變化的時候，溫度補償電路會去補償因為溫度的變化造成的晶體頻率的偏差，從而產生一個相對穩(wěn)定的頻率輸出。

但是，對于一些特殊的應用場合，TCXO仍然是不能滿足要求的，因此，另外一種產品應運而生了，那就是OCXO。

OCXO，即恒溫晶體振蕩器，它內部具有一個恒溫槽，恒溫槽會根據晶體不同的加工工藝，使恒溫槽保持在80~90℃的恒定范圍。也就是說諧振電路相當于工作在空調房內一樣，從而保證了諧振電路輸出頻率的相對穩(wěn)定。

不論是無源的晶振還是有源的晶振，除了諧振電路之外，還需要一些輔助的電路，比如說溫度補償電路，恒溫槽的控制電路等等。

也就是說，此類產品中的諧振電路和輔助電路其實是放置在一個類似PCB的基板上，再與晶體封裝起來，形成了一個振蕩器產品。因此，對于傳統(tǒng)的石英晶體振蕩器來說，它是一個模塊，而不是一個基于硅片的IC。

對于MEMS振蕩器而言，是完全不一樣的，它是采用硅晶圓生產工藝制造，并通過電極產生靜電場來激勵諧振器。也就是說，它完全基于硅片，因此，MEMS振蕩器是一個IC產品。

正是因為這樣，石英晶體振蕩器與MEMS振蕩器之間是有一些差異的。由于MEMS振蕩器是基于硅的芯片，因此，它在抗振動、抗沖擊、失效率、封裝和交貨時間，以及靈活性上，是遠遠領先于石英晶體振蕩器的。

但是，對于一些特殊的應用場合，比如頻率穩(wěn)定度要求很高的場合，OCXO的頻率穩(wěn)定度要更高。因此，一些特殊應用場合仍然會使用石英晶體振蕩器。

當然，隨著技術的進步，MEMS振蕩器的頻率穩(wěn)定度也在逐漸提升當中，業(yè)內目前有廠商可以提供與TCXO穩(wěn)定度相當的產品。

圖2：振蕩器的比較（來源：Microchip）

振蕩器產品有MEMS振蕩器、石英晶體振蕩器，以及原子鐘振蕩器。這一系列振蕩器產品中，他們的性能是完全不一樣的，比如說溫度穩(wěn)定性、老化率、24小時保持性能、相位噪聲性能等等，都是不一樣的。此外，功率和成本也完全不同。

工程師可以根據自己的實際情況去選擇合適的振蕩器產品，不管是哪種產品，那么通常需要關注哪些常見的參數呢？

一般來說，工程師在選擇振蕩器產品的時候，需要關注頻率穩(wěn)定性、初始容差、老化率、抖動、相位噪聲和保持性能等等。當然，對于一些特殊的應用場合，和一些特殊的振蕩器產品，還有一些特殊的參數需要去關注。

接下來，我們看一個OCXO的典型應用場景。

OCXO在外部控制器和其他電路的配合下，形成了一個閉環(huán)的模擬鎖相環(huán)（APLL），該APLL可以鎖定GPS提供的1pps的信號輸入，產生1pps的信號輸出和一個10MHz頻率的時鐘輸出，系統(tǒng)可以根據1pps的信號輸出和10MHz時鐘輸出做各種各樣的數據和信號處理。

時鐘發(fā)生器

時鐘發(fā)生器也可以稱為頻率合成器，一般來說需要外加晶體或振蕩器做為參考。時鐘發(fā)生器的主要功能是實現頻率變換，可以對參考源晶體或振蕩器頻率進行倍頻或降頻，從而產生1路或多路輸出。

在時鐘發(fā)生器的內部，實際上是一個模擬鎖相環(huán)（APLL），該APLL可以鎖定來自外部的參考時鐘，這個參考時鐘可以是上游提供的參考時鐘，也可以是振蕩器提供的參考時鐘。APLL可以把時鐘參考時鐘倍頻到高頻，比如將25MHz的信號倍頻到4GHz，然后基于4GHz再做分頻，從而產生各種各樣的頻率。

其實除了上面提到的APLL，還有數字鎖相環(huán)（DPLL），這兩者有何差異呢？對于APLL而言，固有抖動非常好，但它有自己的缺點，比如不夠靈活、帶寬不能做得很低、沒有辦法提供各種各樣的保持功能。

DPLL跟APLL恰好相反，它的固有抖動比較差，但是它非常靈活、帶寬可以做得很低、能提供非常優(yōu)秀的基于算法的保持功能。

但其實，不論是APLL，還是DPLL，他們都兩個共同點，一是他們都是低通濾波器；二是他們都是閉環(huán)的負反饋系統(tǒng)。

復雜的系統(tǒng)中通常有多路時鐘域，每個時鐘由獨立的晶體或振蕩器產生。相比之下，時鐘發(fā)生器具備諸多優(yōu)勢：高度集成、可代替多個晶體或振蕩器、占用電路板的空間少，以及可靠性高等。

那么，在選擇時鐘發(fā)生器時，需要考慮哪些參數呢？一般來說，主要考慮的參數有：輸出時鐘可以支持的頻率范圍、輸出時鐘可以支持的時鐘域、輸出時鐘可以支持的路數、抖動/相位噪聲等。

此外，還可根據需求考慮其他一些參數，比如輸出電平可以支持的類型、是否支持SSC擴頻時鐘、是否支持相位調節(jié)、是否需要零延時功能、是否支持默認加載配置等。

拿Microchip的ZL30267時鐘發(fā)生器來說，它內部有兩個APLL，它們同時鎖定到了同一個XO，然后產生了以太網絡需要的156.25MHz時鐘；PCIe系統(tǒng)所需要的100MHz時鐘；以及USB系統(tǒng)需要的48MHz時鐘。也就是說，通過這樣的時鐘發(fā)生器，可以產生各種各樣的頻點，給單板做工作時鐘。

時鐘緩沖器

當系統(tǒng)中需要多路時鐘信號時，最有效的產生方法是使用時鐘緩沖器。而時鐘緩沖器實際上是一個比較簡單的器件，本質上來說，它實現了時鐘的驅動，比如說前面有一個時鐘進來，可以通過時鐘緩沖器，實現多個相同頻段的輸出。

在選用時鐘緩沖器時，工程師除了關注輸入輸出，以及輸出頻率等常規(guī)參數之外，尤其要注意另外一個參數是附加抖動RMS。為什么關注該參數呢？因為對于時鐘緩沖器產品，是會劣化時鐘的，也就是說，一個好的，低抖動的時鐘輸入進來，經過時鐘緩沖器之后，時鐘的抖動會變大。那么，抖動變大之后的時鐘是否滿足應用的要求，這一點工程師需要多多關注一下。

濾抖芯片

濾抖芯片，顧名思義就是濾除抖動，既然可以濾除抖動，那么芯片內部必然是一個低通的濾波器，濾抖芯片通常會有兩種架構類型，第一種是基于模擬鎖相環(huán)的濾抖芯片，由于模擬鎖相環(huán)的帶寬不能做到非常低，因此基于模擬鎖相環(huán)的濾抖芯片不能實現非常好的濾抖效果。

另一種是基于數字鎖相環(huán)加上模擬鎖相環(huán)的濾抖芯片，這種芯片把DPLL和APLL的優(yōu)點結合在一起。

比如Microchip的ZL30169，其內部就是基于DPLL和APLL架構的濾抖芯片。它前面是輸入的參考時鐘，后面是參考時鐘的監(jiān)視器、DPLL模塊、APLL模塊，分頻器模塊，輸出的驅動電路等。

根據其內部框圖，可以看出，除了模塊之外，對于內部有DPLL模塊的鎖相環(huán)而言，通常還需要外部提供一個工作時鐘，該工作時鐘在給DPLL提供工作時鐘的同時，還會用這個工作時鐘來監(jiān)控輸入參考源的變化。

同步以太網和IEEE1588時鐘產品

同步以太網和IEEE 1588時鐘產品內部基本上采用了DPLL+APLL的架構。為什么采用這類架構呢，因為這樣可以利用APLL抖動性能好，DPLL比較靈活的特點。

同步以太網和IEEE 1588時鐘產品通常要滿足復雜的協(xié)議，比如物理層的7.813，7.862協(xié)議等。對于DPLL而言，它內部是可編程的，因此，我們可以在DPLL上面處理各自的算法，這個算法就可以保證滿足同步以太網和1588的相關協(xié)議。

一般來說，時鐘的同步有三種類型：頻率同步、相位同步，以及時間同步。它們之間是不一樣的。

對于頻率同步，他們之間的相差是固定的，但是沿是無法對齊的；對于相位同步，相差是固定的，沿也是對齊的，但每一個沿產生的時刻可能是不一樣的；而時間同步，每一個沿產生的時刻是一樣的，因此我們稱之為時間同步。

拿電信網絡來說，整個的電信網絡的時鐘頻率精度必須完全相同，才能完成相互通信；而電信網絡實際上是逐級逐跳傳遞同步信號的。具體來說，電信網絡最開始的高精度時鐘信號由原子時鐘產生，一般原子時鐘會作為第一跳的設備，第一級的設備會把同步信號傳遞到第二級，第二級會把同步信號傳遞給第三級、第四級等等。

逐級逐跳傳遞過程中，通過什么來實現的呢，其實就是通過同步以太網和IEEE1588來實現的。

具體來看一下同步以太網時鐘在具體設備和網絡中，是如何傳遞的，首先上游同步以太網會給PHY一個參考的工作時鐘，PHY收到時鐘后，會基于這個時鐘，把數據傳遞給下一級，在接收端，接收端會把時鐘和數據解出來，提取出來的時鐘，會再給鎖相環(huán)芯片，鎖相環(huán)芯片鎖定這個時鐘，產生一個新的時鐘，給PHY的SerDes，它再基于這個時鐘，把數據傳遞出去，從而實現了物理層的逐級逐跳的時鐘傳遞的過程。

設備的內部的同步是怎么樣來傳遞的？電信系統(tǒng)一般是多卡系統(tǒng)，主備2個時鐘卡和多個線路卡，輸入同步信號從PHY接收器恢復傳輸到時鐘卡系統(tǒng)時鐘，再由時鐘卡處理后分發(fā)信號傳輸到所有線路卡PHY發(fā)送器。

時鐘卡和線路卡上都會放置鎖相環(huán)芯片，但是它們實現的功能是不一樣的，時鐘卡上的鎖相環(huán)可以濾除時序干擾（漂移），并在外部時序源暫時丟失時提供保持功能，以及滿足各種各樣的復雜協(xié)議；線路卡上的鎖相環(huán)芯片可以濾除抖動和轉換時鐘頻率。

IEEE 1588的傳遞跟同步以太網的傳遞有點不一樣。它是把時間信號放在報文內。逐級逐跳往下傳遞的。對數字鎖相環(huán)，或者模擬鎖相環(huán)而言，它是一個低通濾波器，同時也是一個閉環(huán)的負反饋系統(tǒng)，對于IEEE 1588而言，它也是是一個閉環(huán)的負反饋系統(tǒng)。但是它的反饋不在芯片內部，而在于板級，或者系統(tǒng)上。

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編輯：jq