是時(shí)候改進(jìn)您的時(shí)鐘了

Microchip時(shí)序和通信部應(yīng)用工程經(jīng)理

Graham Mostyn

幾乎每個(gè)電子器件都需要一個(gè)時(shí)鐘源。例如，單片機(jī)（MCU）使用振蕩器來前進(jìn)到下一條指令，無線電需要通過精確的振蕩器來將射頻信號混合到基帶中加以處理。

智能聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的出現(xiàn)對時(shí)鐘性能提出了更高的要求。本文解釋了設(shè)計(jì)師如何在應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的同時(shí)降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、縮短設(shè)計(jì)時(shí)間以及削減物料清單。我們著眼于采用石英和基于MEMS的技術(shù)的石英晶體、石英晶振（XO）和高度集成的時(shí)鐘解決方案。

智能聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要復(fù)雜的時(shí)鐘樹

MCU通常包括用于非精密計(jì)算應(yīng)用的內(nèi)部RC移相振蕩器。這些振蕩器使用集成的電阻-電容對來創(chuàng)建控制振蕩器頻率的時(shí)間常數(shù)。此類振蕩器具有大約1%的精度并且表現(xiàn)出高抖動（在時(shí)鐘轉(zhuǎn)換的時(shí)序中會出現(xiàn)意外的隨機(jī)波動）。 它們適用于不注重轉(zhuǎn)換時(shí)序的應(yīng)用，例如為計(jì)算用MCU提供時(shí)鐘以及驅(qū)動一個(gè)簡單的七段數(shù)字液晶顯示屏（LCD）。顯示屏需要多個(gè)時(shí)鐘波形，但轉(zhuǎn)換時(shí)序容差為幾毫秒。此外，也可實(shí)現(xiàn)高達(dá)幾Mbps的UART通信，這種情況下的時(shí)序容差為幾百納秒，但這同時(shí)也代表著簡單RC振蕩器的限值。

智能聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品通過Bluetooth?、有線以太網(wǎng)、Wi-Fi?或其他連接協(xié)議與云端進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。由于涉及無線電和/或高速數(shù)據(jù)，因此需要精度達(dá)百萬分之幾（ppm）的低抖動精密時(shí)鐘。

生成精密時(shí)鐘所需的關(guān)鍵因素是穩(wěn)定的參考頻率，而這需要使用諧振器。諧振器是一種電子無源器件，在某些（諧振）頻率下自然振蕩的幅度高于其他頻率——小提琴琴弦就是一個(gè)簡單的例子。電子器件通常選用石英晶體和MEMS諧振器。諧振器的要求如下：

諧振頻率隨時(shí)間和溫度變化呈穩(wěn)定態(tài)勢。這樣可以避免時(shí)鐘頻率漂移。

高品質(zhì)因數(shù)（Q），確保諧振器只響應(yīng)很窄的頻帶。

能夠在高信號電平下工作，從而在輸出端達(dá)到良好的信噪比

第二項(xiàng)和第三項(xiàng)對于確保低抖動時(shí)鐘信號至關(guān)重要，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的時(shí)序轉(zhuǎn)換。

由于諧振器是無源器件，因此需要受控的能量來維持振蕩并產(chǎn)生參考頻率。將諧振器以反饋配置耦合到維持放大器可實(shí)現(xiàn)這種穩(wěn)定的振蕩。如果石英晶體或MEMS諧振器配有合適放大器，會非常適合作為10 Mbps及以上域中數(shù)據(jù)傳輸?shù)念l率參考。

石英諧振器具有高Q值和高輸出能力，適用于抖動必須極低的應(yīng)用。 可以實(shí)現(xiàn)100飛秒的相位噪聲（在傳統(tǒng)的12 kHz至20 MHz帶寬中測量）。MEMS諧振器能夠以非常穩(wěn)定的頻率在擴(kuò)展級溫度下工作，而且兼具極高的可靠性以及抗沖擊和振動性能，并能夠?qū)崿F(xiàn)超小型時(shí)鐘解決方案（接近1平方毫米）。 MEMS諧振器具有較高的Q值和較低的輸出；可實(shí)現(xiàn)500飛秒的相位噪聲，而近期的諧振器設(shè)計(jì)也在不斷降低該值。 例如，許多現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用（例如PCIe）都支持較小的集成帶寬，因此這兩種技術(shù)都非常合適。

在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘

在嵌入式系統(tǒng)中，可通過三種常見的諧振器實(shí)現(xiàn)來產(chǎn)生時(shí)鐘信號。

將石英晶體直接連接到“目標(biāo)SoC”（將由時(shí)鐘驅(qū)動）

圖1：兩個(gè)晶體直接連接到MCU，顯示負(fù)載電容和串聯(lián)電阻

通過石英晶振（XO）為整個(gè)系統(tǒng)創(chuàng)建一個(gè)時(shí)鐘輸出

圖2：晶振由石英晶片組成，傳統(tǒng)上采用陶瓷封裝并帶有金屬蓋

基于石英或MEMS的時(shí)鐘發(fā)生器（以低頻和高頻[>50 MHz]創(chuàng)建一個(gè)或多個(gè)時(shí)鐘輸出）

圖3：集成時(shí)鐘發(fā)生器將MEMS（或晶體）諧振器與振蕩器相結(jié)合，并通過可編程PLL和緩沖輸出級擴(kuò)展功能