【導讀】提到電子設備的“心髒”，很多人會不約而同地想到時鍾芯片，因為其作用就是基於一個參考頻率源（如石英晶體或單端或差分時鍾），產生頻率穩定的節拍鍾振信號，就像是人的心髒一樣有節律地“跳動”


，以確保係統中各個功能模塊都能夠以此為基礎穩定運行並互相協同。

從更嚴格的定義上看
，時鍾芯片就是在電子係統中生成
、調節、操縱、分配或控製計時信號的集成電路

，其核心的作用有兩點：一(yi)是(shi)生(sheng)成(cheng)準(zhun)確(que)的(de)時(shi)鍾(zhong)脈(mai)衝(chong)信(xin)號(hao)，二(er)是(shi)持(chi)續(xu)可(ke)靠(kao)地(di)分(fen)發(fa)該(gai)信(xin)號(hao)供(gong)係(xi)統(tong)內(nei)的(de)各(ge)種(zhong)計(ji)時(shi)設(she)備(bei)使(shi)用(yong)。可(ke)以(yi)想(xiang)見(jian)，隨(sui)著(zhe)當(dang)今(jin)電(dian)子(zi)係(xi)統(tong)運(yun)行(xing)速(su)度(du)越(yue)來(lai)越(yue)快(kuai)，運(yun)行(xing)的(de)環(huan)境(jing)越(yue)來(lai)越(yue)複(fu)雜(za)

，時(shi)鍾(zhong)芯(xin)片(pian)麵(mian)臨(lin)的(de)設(she)計(ji)和(he)應(ying)用(yong)挑(tiao)戰(zhan)也(ye)會(hui)越(yue)來(lai)越(yue)大(da)。

時鍾發生器的選型

shizhongfashengqishiyizhongchangjiandeshizhongxinpian
，gumingsiyi
，tabanyandejiaosejiushichanshengtongbuxitongcaozuosuoxudejishixinhao。zuijibendeshizhongfashengqiyouxiezhendianluhefangdaqizucheng，beiguangfandiyingyongzaigeleidianzihexinxitongxinchanpinzhong。xiezhendianlutongchangshiyikuaishiyingyadianzhendangqi
，yekeyishiyongjiandandechunengdianlushenzhishiRC電路
；將諧振電路產生的振動信號通過頻率倍增器、分頻器和混頻器的處理以產生所需的輸出時鍾信號，這個過程也被稱為頻率合成或時鍾合成。

由於是為整個係統提供一個頻率基準，因此電子電路對於時鍾發生器這個頻率源的頻率穩定度、頻譜純度

、頻率範圍等的要求自然是容不得半點馬虎。具體來講，衡量時鍾發生器性能的優劣，主要有以下一些關鍵指標：

時鍾抖動

這是用於測量時鍾在時間域或頻率域內與理想信號之間誤差量的一個指標
，也是反映時鍾信號質量的關鍵指標。

頻率範圍

butongdeshizhongfashengqihuigenjumubiaoyingyongdepinlvyaoqiujinxingyouhua，youxieqijianhuizhuzhongzhichijiaokuandepinlv，eryouxiezeqiangtiaozaitedingyingyongdezhaipinlvfanweineitigonggenggaodexingneng。

輸入和輸出信號類型

每個時鍾信號都需要一個明確定義的高/低電壓和上升/下降時間，由此也就定義了符合行業標準的不同“信號類型”
，包括LVCMOS
、LVDS、LVPECL、HCSL等。有些時鍾發生器支持固定的信號類型
，而有些則可支持多種類型。

電源電壓

即ji器qi件jian工gong作zuo所suo需xu的de電dian壓ya。一yi般ban來lai講jiang
，較jiao低di的de電dian源yuan電dian壓ya對dui應ying著zhe更geng低di的de功gong率lv損sun耗hao。在zai不bu犧xi牲sheng性xing能neng的de情qing況kuang下xia盡jin可ke能neng節jie省sheng功gong率lv
，自zi然ran是shi理li想xiang時shi鍾zhong發fa生sheng器qi所suo追zhui求qiu的de目mu標biao。

集成度

像其他芯片一樣
，在滿足係統要求的同時使用盡可能少的元器件
，這一趨勢也在推動時鍾發生器向著更高的集成度發展。

靈活的可編程時鍾發生器

值得關注的是，隨著應用的發展
，時鍾發生器也麵臨著新的挑戰。

首shou先xian，隨sui著zhe電dian路lu複fu雜za性xing的de增zeng加jia，如ru果guo要yao滿man足zu電dian路lu中zhong不bu同tong芯xin片pian和he接jie口kou在zai時shi鍾zhong信xin號hao方fang麵mian的de要yao求qiu，傳chuan統tong的de解jie決jue方fang案an需xu要yao由you多duo個ge分fen散san的de晶jing振zhen提ti供gong支zhi持chi
，而er這zhe種zhong方fang法fa很hen可ke能neng會hui引yin發fa多duo個ge時shi鍾zhong源yuan相xiang互hu之zhi間jian的de幹gan擾rao

，影ying響xiang係xi統tong的de性xing能neng。

其次
，麵對更複雜的係統、更多樣化的設計需求，開發者需要選用不同的時鍾源器件，這無疑會增加整個研發的工作量和BOM的複雜度
，對於優化產品生命周期中的研發和庫存管理成本顯然是不利的。

為了解決這些“痛點”，一種更加靈活的“可編程時鍾發生器”就應運而生了。大家知道，很多時鍾信號發生器采用的是鎖相環時鍾（PLL時鍾）架構，其通過用於比較輸入相位並調整振蕩器頻率的PLL，保(bao)持(chi)相(xiang)匹(pi)配(pei)的(de)相(xiang)位(wei)。所(suo)謂(wei)可(ke)編(bian)程(cheng)時(shi)鍾(zhong)發(fa)生(sheng)器(qi)就(jiu)是(shi)通(tong)過(guo)改(gai)變(bian)電(dian)路(lu)中(zhong)倍(bei)增(zeng)器(qi)或(huo)分(fen)頻(pin)器(qi)的(de)參(can)數(shu)來(lai)定(ding)義(yi)具(ju)有(you)不(bu)同(tong)輸(shu)出(chu)頻(pin)率(lv)的(de)時(shi)鍾(zhong)信(xin)號(hao)，也(ye)就(jiu)是(shi)說(shuo)無(wu)需(xu)修(xiu)改(gai)硬(ying)件(jian)，即(ji)可(ke)從(cong)相(xiang)同(tong)的(de)輸(shu)入(ru)頻(pin)率(lv)產(chan)生(sheng)不(bu)同(tong)的(de)輸(shu)出(chu)頻(pin)率(lv)，這(zhe)自(zi)然(ran)是(shi)為(wei)開(kai)發(fa)者(zhe)提(ti)供(gong)了(le)一(yi)種(zhong)極(ji)具(ju)靈(ling)活(huo)性(xing)和(he)可(ke)擴(kuo)展(zhan)性(xing)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。而(er)且(qie)很(hen)多(duo)可(ke)編(bian)程(cheng)時(shi)鍾(zhong)發(fa)生(sheng)器(qi)還(hai)支(zhi)持(chi)同(tong)一(yi)個(ge)器(qi)件(jian)輸(shu)出(chu)多(duo)路(lu)時(shi)鍾(zhong)信(xin)號(hao)，這(zhe)對(dui)於(yu)節(jie)省(sheng)係(xi)統(tong)空(kong)間(jian)
、實現更緊湊的設計也是大有裨益的。

總而言之
，可編程時鍾發生器可通過取代分立的晶體
、振蕩器等時鍾元件節省電路板空間和成本
，也為消費電子、數據通信、電信和計算等應用的設計開發帶來極大的靈活性

，因此成為了一個頗受關注的時鍾芯片門類。

高性能、低功耗可編程時鍾發生器

正是認識到了可編程時鍾發生器的獨特價值，Renesas Electronics在這個領域一直深耕不輟
，根據實際的目標應用，開發出了具有高性能、低功耗、微型封裝等不同特性的可編程時鍾發生器產品。

其中
，VersaClock®️係列就是很有代表性的一個產品家族，目前已經發展出了20多個可編程時鍾發生器產品組合
，支持1.8V至3.3V的工作電壓，具有差（LVPECL/HCSL/LVSS/LPHCSL）和LVCMOS多樣化的輸出類型，集成最多3個PLL和多個分數分頻器，以準確生成所需的頻率信號
，為用戶提供兼具低功耗、靈活性和高性能的解決方案，非常適合用於消費類
、電信、數據通信和網絡應用。

圖1：VersaClock係列主要產品

（圖源：Renesas Electronics）

具體來講，VersaClock係列產品包括VersaClock 7
、VersaClock 6
、VersaClock 5

、VersaClock 3S等幾個子係列，產品定義主要是從低功耗
、低抖動兩個方向上進行布局（見圖1）。

VersaClock 3S產品低功耗特性出眾，能夠在節省PCB空間的同時提供出色的節能表現
，可滿足包括PCI Express Gen 1/2/3標準在內的廣泛應用的需求。

VersaClock 5為低功耗、高性能應用提供0.7ps的相位抖動（12kHz至20MHz頻率範圍內），以及在單個芯片上最多儲存和配置四種不同頻率信號的能力。同時，該時鍾發生器的工作核心功率仍低於100mW（比競爭產品低50%）
，低功耗表現也不俗。

VersaClock 6可編程時鍾發生器相對來講更偏重於高性能，其RMS相位抖動低於500飛秒（fs），適用於10G以太網、PCI Express 1/2/3代標準
、PHY參考時鍾和高端FPGA等對於抖動和相位噪聲要求更為嚴苛的應用。與此同時
，其核心電流消耗仍控製在30mA，以盡可能降低係統的功耗。

VersaClock 7是VersaClock係列的新產品，適用於高階計算、有線基礎設施及數據中心設備的PCIe和以太網應用。VersaClock 7產品包括5路

、8路和12路輸出器件
，12kHz至20MHz RMS抖動低至150fs
，在同係列產品中性能表現搶眼。其中，以8路輸出器件為例
，其采用5mm x 5mm QFN封裝，比目前市場上同類產品小30%
，有助於開發者實現更緊湊的設計

；此外，該係列時鍾發生器還提供集成晶體選項，可進一步節省係統空間並優化BOM。

圖2：VersaClock 7可編程時鍾發生器

（圖源：Renesas Electronics）

VersaClock 7產品特性可以概括如下：

●   1.8V/2.5V/3.3V靈活電源軌

●   典型150fs RMS 12kHz-20MHz相位抖動

●   5/8/12輸出，帶集成晶體選項

●   1kHz至650MHz LVDS/LP-HCSL輸出

●   LVCMOS輸出：1kHz至200MHz

●   可編程硬件配置選擇引腳

●   支持PCIe Gen5/6

●   節省空間的封裝：4mm x 4mm、5mm x 5mm
、6mm x 6mm

●   集成晶體選項
，用於節省空間和優化BOM

圖3：VersaClock 7可編程時鍾發生器框圖

（圖源：Renesas Electronics）

圖4：VersaClock係列主要產品性能對比

（圖源：Renesas Electronics）

便捷的可編程開發體驗

為了方便開發，Renesas還提供了VersaClock評估板，用於評估VersaClock時鍾發生器。該VersaClock評估板特性包括：

●   通過SMA實現晶體或晶體過驅動（REFIN）

●   晶體過驅動和CLKIN上提供檢測線路

●   板載I²C和SPI通信

●   四個GPI和五個GPIO

●   GPI/GPIO LED指示燈和DIP開關

●   輸出上的測試點，用於Hi-Z探頭

●   跳線可選電壓設置，用於3.3V/2.5V/1.8V，由USB-C供電

圖5：VersaClock評估板

（圖源：Renesas Electronics）

而且，開發者通過Renesas提供的全新RICBox應用程序
，可以很方便地配置VersaClock 7器件，在評估板上完成配置創建和器件編程。也就是說
，基於RICBox這個新推出的軟件平台，客戶可以使用Python驅動或Windows GUI來創建自定義配置
，並對評估板上的VersaClock 7器件進行編程，而無需相關的專業知識。而且，通過RICBox與Renesas的創新雲端實驗室平台無縫對接，用戶還可以下載自己創建的配置並在本地使用RICBox進行操作，或者是將配置上傳至雲端實驗室進行性能分析。

總之，完整而易用的開發資源使得VersaClock 7可編程時鍾發生器在性能、設計靈活性方麵的優勢得以充分發揮出來
，為用戶提供了極為便捷的開發體驗。

本文小結

在電子係統中，時鍾元件是係統穩定運行、精(jing)準(zhun)通(tong)信(xin)的(de)基(ji)石(shi)。而(er)隨(sui)著(zhe)係(xi)統(tong)複(fu)雜(za)性(xing)的(de)增(zeng)加(jia)，從(cong)一(yi)個(ge)或(huo)多(duo)個(ge)參(can)考(kao)頻(pin)率(lv)中(zhong)產(chan)生(sheng)多(duo)種(zhong)頻(pin)率(lv)的(de)時(shi)鍾(zhong)信(xin)號(hao)，且(qie)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)編(bian)程(cheng)靈(ling)活(huo)配(pei)置(zhi)輸(shu)出(chu)頻(pin)率(lv)的(de)可(ke)編(bian)程(cheng)時(shi)鍾(zhong)發(fa)生(sheng)器(qi)更(geng)是(shi)成(cheng)為(wei)市(shi)場(chang)上(shang)的(de)大(da)熱(re)門(men)；而且伴隨著各種應用不斷發展
，對這種精準
、靈活、小巧的時鍾芯片的需求也日趨旺盛。

Renesas顯然已經為此做足了準備，通過不斷擴充可編程時鍾產品組合
、完善配套的設計資源，為開發者提供更高性能、更大自由度的開發體驗。這樣的解決方案，你想不想也來嚐試一下？

來源：Mouser

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