【導讀】提到電子設備的“心臟”，很多人會(huì )不約而同地想到時(shí)鐘芯片，因為其作用就是基于一個(gè)參考頻率源（如石英晶體或單端或差分時(shí)鐘），產(chǎn)生頻率穩定的節拍鐘振信號，就像是人的心臟一樣有節律地“跳動(dòng)”，以確保系統中各個(gè)功能模塊都能夠以此為基礎穩定運行并互相協(xié)同。
從更嚴格的定義上看，時(shí)鐘芯片就是在電子系統中生成、調節、操縱、分配或控制計時(shí)信號的集成電路，其核心的作用有兩點(diǎn)：一是生成準確的時(shí)鐘脈沖信號，二是持續可靠地分發(fā)該信號供系統內的各種計時(shí)設備使用?？梢韵胍?jiàn)，隨著(zhù)當今電子系統運行速度越來(lái)越快，運行的環(huán)境越來(lái)越復雜，時(shí)鐘芯片面臨的設計和應用挑戰也會(huì )越來(lái)越大。
時(shí)鐘發(fā)生器的選型
時(shí)鐘發(fā)生器是一種常見(jiàn)的時(shí)鐘芯片，顧名思義，它扮演的角色就是產(chǎn)生同步系統操作所需的計時(shí)信號。最基本的時(shí)鐘發(fā)生器由諧振電路和放大器組成，被廣泛地應用在各類(lèi)電子和信息通信產(chǎn)品中。諧振電路通常是一塊石英壓電振蕩器，也可以使用簡(jiǎn)單的儲能電路甚至是RC電路；將諧振電路產(chǎn)生的振動(dòng)信號通過(guò)頻率倍增器、分頻器和混頻器的處理以產(chǎn)生所需的輸出時(shí)鐘信號，這個(gè)過(guò)程也被稱(chēng)為頻率合成或時(shí)鐘合成。
由于是為整個(gè)系統提供一個(gè)頻率基準，因此電子電路對于時(shí)鐘發(fā)生器這個(gè)頻率源的頻率穩定度、頻譜純度、頻率范圍等的要求自然是容不得半點(diǎn)馬虎。具體來(lái)講，衡量時(shí)鐘發(fā)生器性能的優(yōu)劣，主要有以下一些關(guān)鍵指標：
時(shí)鐘抖動(dòng)
這是用于測量時(shí)鐘在時(shí)間域或頻率域內與理想信號之間誤差量的一個(gè)指標，也是反映時(shí)鐘信號質(zhì)量的關(guān)鍵指標。
頻率范圍
不同的時(shí)鐘發(fā)生器會(huì )根據目標應用的頻率要求進(jìn)行優(yōu)化，有些器件會(huì )注重支持較寬的頻率，而有些則強調在特定應用的窄頻率范圍內提供更高的性能。
輸入和輸出信號類(lèi)型
每個(gè)時(shí)鐘信號都需要一個(gè)明確定義的高/低電壓和上升/下降時(shí)間，由此也就定義了符合行業(yè)標準的不同“信號類(lèi)型”，包括LVCMOS、LVDS、LVPECL、HCSL等。有些時(shí)鐘發(fā)生器支持固定的信號類(lèi)型，而有些則可支持多種類(lèi)型。
電源電壓
即器件工作所需的電壓。一般來(lái)講，較低的電源電壓對應著(zhù)更低的功率損耗。在不犧牲性能的情況下盡可能節省功率，自然是理想時(shí)鐘發(fā)生器所追求的目標。
集成度
像其他芯片一樣，在滿(mǎn)足系統要求的同時(shí)使用盡可能少的元器件，這一趨勢也在推動(dòng)時(shí)鐘發(fā)生器向著(zhù)更高的集成度發(fā)展。
靈活的可編程時(shí)鐘發(fā)生器
值得關(guān)注的是，隨著(zhù)應用的發(fā)展，時(shí)鐘發(fā)生器也面臨著(zhù)新的挑戰。
首先，隨著(zhù)電路復雜性的增加，如果要滿(mǎn)足電路中不同芯片和接口在時(shí)鐘信號方面的要求，傳統的解決方案需要由多個(gè)分散的晶振提供支持，而這種方法很可能會(huì )引發(fā)多個(gè)時(shí)鐘源相互之間的干擾，影響系統的性能。
其次，面對更復雜的系統、更多樣化的設計需求，開(kāi)發(fā)者需要選用不同的時(shí)鐘源器件，這無(wú)疑會(huì )增加整個(gè)研發(fā)的工作量和BOM的復雜度，對于優(yōu)化產(chǎn)品生命周期中的研發(fā)和庫存管理成本顯然是不利的。
為了解決這些“痛點(diǎn)”，一種更加靈活的“可編程時(shí)鐘發(fā)生器”就應運而生了。大家知道，很多時(shí)鐘信號發(fā)生器采用的是鎖相環(huán)時(shí)鐘（PLL時(shí)鐘）架構，其通過(guò)用于比較輸入相位并調整振蕩器頻率的PLL，保持相匹配的相位。所謂可編程時(shí)鐘發(fā)生器就是通過(guò)改變電路中倍增器或分頻器的參數來(lái)定義具有不同輸出頻率的時(shí)鐘信號，也就是說(shuō)無(wú)需修改硬件，即可從相同的輸入頻率產(chǎn)生不同的輸出頻率，這自然是為開(kāi)發(fā)者提供了一種極具靈活性和可擴展性的解決方案。而且很多可編程時(shí)鐘發(fā)生器還支持同一個(gè)器件輸出多路時(shí)鐘信號，這對于節省系統空間、實(shí)現更緊湊的設計也是大有裨益的。
總而言之，可編程時(shí)鐘發(fā)生器可通過(guò)取代分立的晶體、振蕩器等時(shí)鐘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(kāi)發(fā)帶來(lái)極大的靈活性，因此成為了一個(gè)頗受關(guān)注的時(shí)鐘芯片門(mén)類(lèi)。
高性能、低功耗可編程時(shí)鐘發(fā)生器
正是認識到了可編程時(shí)鐘發(fā)生器的獨特價(jià)值，Renesas Electronics在這個(gè)領(lǐng)域一直深耕不輟，根據實(shí)際的目標應用，開(kāi)發(fā)出了具有高性能、低功耗、微型封裝等不同特性的可編程時(shí)鐘發(fā)生器產(chǎn)品。
其中，VersaClock??系列就是很有代表性的一個(gè)產(chǎn)品家族，目前已經(jīng)發(fā)展出了20多個(gè)可編程時(shí)鐘發(fā)生器產(chǎn)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(lèi)型，集成最多3個(gè)PLL和多個(gè)分數分頻器，以準確生成所需的頻率信號，為用戶(hù)提供兼具低功耗、靈活性和高性能的解決方案，非常適合用于消費類(lèi)、電信、數據通信和網(wǎng)絡(luò )應用。
圖1：VersaClock系列主要產(chǎn)品
（圖源：Renesas Electronics）
具體來(lái)講，VersaClock系列產(chǎn)品包括VersaClock 7、VersaClock 6、VersaClock 5、VersaClock 3S等幾個(gè)子系列，產(chǎn)品定義主要是從低功耗、低抖動(dòng)兩個(gè)方向上進(jìn)行布局（見(jiàn)圖1）。
VersaClock 3S產(chǎn)品低功耗特性出眾，能夠在節省PCB空間的同時(shí)提供出色的節能表現，可滿(mǎn)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(dòng)（12kHz至20MHz頻率范圍內），以及在單個(gè)芯片上最多儲存和配置四種不同頻率信號的能力。同時(shí)，該時(shí)鐘發(fā)生器的工作核心功率仍低于100mW（比競爭產(chǎn)品低50%），低功耗表現也不俗。
VersaClock 6可編程時(shí)鐘發(fā)生器相對來(lái)講更偏重于高性能，其RMS相位抖動(dòng)低于500飛秒（fs），適用于10G以太網(wǎng)、PCI Express 1/2/3代標準、PHY參考時(shí)鐘和高端FPGA等對于抖動(dòng)和相位噪聲要求更為嚴苛的應用。與此同時(shí)，其核心電流消耗仍控制在30mA，以盡可能降低系統的功耗。
VersaClock 7是VersaClock系列的新產(chǎn)品，適用于高階計算、有線(xiàn)基礎設施及數據中心設備的PCIe和以太網(wǎng)應用。VersaClock 7產(chǎn)品包括5路、8路和12路輸出器件，12kHz至20MHz RMS抖動(dòng)低至150fs，在同系列產(chǎn)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(chǎng)上同類(lèi)產(chǎn)品小30%，有助于開(kāi)發(fā)者實(shí)現更緊湊的設計；此外，該系列時(shí)鐘發(fā)生器還提供集成晶體選項，可進(jìn)一步節省系統空間并優(yōu)化BOM。
圖2：VersaClock 7可編程時(shí)鐘發(fā)生器
（圖源：Renesas Electronics）
VersaClock 7產(chǎn)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(dòng)
● 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，用于節省空間和優(yōu)化BOM
圖3：VersaClock 7可編程時(shí)鐘發(fā)生器框圖
（圖源：Renesas Electronics）
圖4：VersaClock系列主要產(chǎn)品性能對比
（圖源：Renesas Electronics）
便捷的可編程開(kāi)發(fā)體驗
為了方便開(kāi)發(fā)，Renesas還提供了VersaClock評估板，用于評估VersaClock時(shí)鐘發(fā)生器。該VersaClock評估板特性包括：
● 通過(guò)SMA實(shí)現晶體或晶體過(guò)驅動(dòng)（REFIN）
● 晶體過(guò)驅動(dòng)和CLKIN上提供檢測線(xiàn)路
● 板載I2C和SPI通信
● 四個(gè)GPI和五個(gè)GPIO
● GPI/GPIO LED指示燈和DIP開(kāi)關(guān)
● 輸出上的測試點(diǎn)，用于Hi-Z探頭
● 跳線(xiàn)可選電壓設置，用于3.3V/2.5V/1.8V，由USB-C供電
圖5：VersaClock評估板
（圖源：Renesas Electronics）
而且，開(kāi)發(fā)者通過(guò)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(chuàng )建和器件編程。也就是說(shuō)，基于RICBox這個(gè)新推出的軟件平臺，客戶(hù)可以使用Python驅動(dòng)或Windows GUI來(lái)創(chuàng )建自定義配置，并對評估板上的VersaClock 7器件進(jìn)行編程，而無(wú)需相關(guān)的專(zhuān)業(yè)知識。而且，通過(guò)RICBox與Renesas的創(chuàng )新云端實(shí)驗室平臺無(wú)縫對接，用戶(hù)還可以下載自己創(chuàng )建的配置并在本地使用RICBox進(jìn)行操作，或者是將配置上傳至云端實(shí)驗室進(jìn)行性能分析。
總之，完整而易用的開(kāi)發(fā)資源使得VersaClock 7可編程時(shí)鐘發(fā)生器在性能、設計靈活性方面的優(yōu)勢得以充分發(fā)揮出來(lái)，為用戶(hù)提供了極為便捷的開(kāi)發(fā)體驗。
本文小結
在電子系統中，時(shí)鐘元件是系統穩定運行、精準通信的基石。而隨著(zhù)系統復雜性的增加，從一個(gè)或多個(gè)參考頻率中產(chǎn)生多種頻率的時(shí)鐘信號，且可以通過(guò)編程靈活配置輸出頻率的可編程時(shí)鐘發(fā)生器更是成為市場(chǎng)上的大熱門(mén)；而且伴隨著(zhù)各種應用不斷發(fā)展，對這種精準、靈活、小巧的時(shí)鐘芯片的需求也日趨旺盛。
Renesas顯然已經(jīng)為此做足了準備，通過(guò)不斷擴充可編程時(shí)鐘產(chǎn)品組合、完善配套的設計資源，為開(kāi)發(fā)者提供更高性能、更大自由度的開(kāi)發(fā)體驗。這樣的解決方案，你想不想也來(lái)嘗試一下？
來(lái)源：Mouser
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