是時候改進您的時鐘了

Microchip時序和通信部應用工程經理

Graham Mostyn

幾乎每個電子器件都需要一個時鐘源。例如，單片機（MCU）使用振蕩器來前進到下一條指令，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。

智能聯網設備的出現對時鐘性能提出了更高的要求。本文解釋了設計師如何在應對這些挑戰的同時降低技術風險、縮短設計時間以及削減物料清單。我們著眼于采用石英和基于MEMS的技術的石英晶體、石英晶振（XO）和高度集成的時鐘解決方案。

智能聯網設備需要復雜的時鐘樹

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

智能聯網產品通過Bluetooth?、有線以太網、Wi-Fi?或其他連接協議與云端進行網絡通信。由于涉及無線電和/或高速數據，因此需要精度達百萬分之幾（ppm）的低抖動精密時鐘。

生成精密時鐘所需的關鍵因素是穩定的參考頻率，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：

諧振頻率隨時間和溫度變化呈穩定態勢。這樣可以避免時鐘頻率漂移。

高品質因數（Q），確保諧振器只響應很窄的頻帶。

能夠在高信號電平下工作，從而在輸出端達到良好的信噪比

第二項和第三項對于確保低抖動時鐘信號至關重要，可實現穩定的時序轉換。

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生參考頻率。將諧振器以反饋配置耦合到維持放大器可實現這種穩定的振蕩。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及以上域中數據傳輸的頻率參考。

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用。 可以實現100飛秒的相位噪聲（在傳統的12 kHz至20 MHz帶寬中測量）。MEMS諧振器能夠以非常穩定的頻率在擴展級溫度下工作，而且兼具極高的可靠性以及抗沖擊和振動性能，并能夠實現超小型時鐘解決方案（接近1平方毫米）。 MEMS諧振器具有較高的Q值和較低的輸出；可實現500飛秒的相位噪聲，而近期的諧振器設計也在不斷降低該值。 例如，許多現代網絡應用（例如PCIe）都支持較小的集成帶寬，因此這兩種技術都非常合適。

在嵌入式系統中實現時鐘

在嵌入式系統中，可通過三種常見的諧振器實現來產生時鐘信號。

將石英晶體直接連接到“目標SoC”（將由時鐘驅動）

圖1：兩個晶體直接連接到MCU，顯示負載電容和串聯電阻

通過石英晶振（XO）為整個系統創建一個時鐘輸出

圖2：晶振由石英晶片組成，傳統上采用陶瓷封裝并帶有金屬蓋

基于石英或MEMS的時鐘發生器（以低頻和高頻[>50 MHz]創建一個或多個時鐘輸出）

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