Skywork使用频率灵活的晶体XOs进行原型制作

频率柔性晶体振荡器的原型设计

理想情况下，新系统的开发人员应该在设计过程的早期就时钟需求做出决定。尽管计时速率是应该提前知道的关键参数，但确定这些速率有时需要实验和重新评估。在设计的原型设计和验证阶段快速更改时钟频率的能力可以加快上市时间。使用频率灵活、可编程的晶体振荡器（XO）作为原型工具可以促进验证系统性能的过程，并有助于简化整个产品开发周期。

评估多个频率

在进行任何系统设计工作时，频率变化往往在设计周期的后期变得必要。例如，在开发过程中对时钟速率进行试验和优化通常会提高性能和设计效率。在其他情况下，设计中的错误或误判可能需要更改频率。在任何这些情况下，使用能够适应最后一刻变化的XO都会有所帮助，而无需更改材料清单或PCB布局，特别是因为固定频率XO石英晶体振荡器的交付周期可能会将开发时间延长数周甚至数月。

最后一分钟的更改非常常见，尤其是在基于FPGA的应用程序中。FPGA的极端灵活性意味着可以快速调整逻辑路径宽度和数据速率，以提高功率、吞吐量或栅极利用率。例如，改变数据路径宽度或降低时钟速率可能是在FPGA设计的最后阶段闭合时序的有效方式。此外，可以存在混合信号电路，例如片上串行器/解串器（SerDes）收发器，其可以受益于时钟优化。输出抖动性能和误码率通常直接取决于参考时钟频率。快速改变时钟频率的能力有助于达到最佳时钟速率。

频率裕度

使用标准频率的系统还可以受益于频率灵活的XO，用于设计验证和生产测试期间的频率裕度。尽管以太网MAC或PHY可以指定156.25MHz参考XO，但是固定频率参考不能行使速率容差。为了保证系统的裕度，设计者必须使用能够生成156.25+100 ppm和156.25-100ppm MHz石英晶体，否则他们必须重新加工板以安装更快或更慢的XO。这种方法变得有限且耗时，尤其是当在许多温度条件下测试多块板时

频率裕度也可以使用多个XO和多路复用器来执行，如图1所示。该方案的缺点包括频率的数量有限以及在频率之间切换时引入额外的噪声和相位不连续性。这种方法还需要不同的PCB占地面积来进行验证和生产。

图1。使用多个XO和多路复用器的频率裕度

使用外部时钟源或多个XO来执行频率裕度通常会限制设计者进行精细频率调整或验证连续频率以排除可疑问题区域的能力。由于获得额外时钟频率所需的前置时间，此问题可能导致增加返工和增加延迟。例如，如果系统在+100ppm下工作，但在+55ppm下出现故障，那么这两种方法都无法有效地捕捉到故障。

传统的频率灵活XO无法应对挑战

解决执行频率裕度问题的更好方法是使用电路中可编程XO，该XO可以产生具有非常高的增量频率分辨率的连续频率，而不会引入相位毛刺或损害相位抖动性能。传统的XO无法实现这种频率灵活性，因为它们依赖于机械调谐的石英晶体，这些石英晶体被切割以在特定频率下谐振。每个新的频率都需要不同的晶体尺寸。

为了满足这一需求，传统的XO供应商使用诸如锁相环（PLL）之类的模拟电路技术来克服传统晶体振荡器的频率刚性。然而，模拟PLL通常被限制为二次幂或整数倍频。这些解决方案无法满足为设计者提供总频率编程或“调谐”灵活性所需的频率分辨率。

电源抑制性能也影响系统原型和调试时间

众所周知，模拟PLL对噪声敏感，经常通过电源和内部VCO将噪声源耦合和放大到输出时钟信号。这种灵敏度防止了模拟PLL在高性能系统中驱动超低抖动时钟信号，因为在这些系统中，时钟灵活性很重要，而且环境往往是嘈杂和恶劣的。为了解决所有这些电源噪声，PCB通常必须在时间关键的原型调试阶段进行修改或重新设计，这会大大延迟系统验证和最终的生产发布。

系统噪声很大程度上是由于瞬态负载开关电流和开关电源（SMPS）在大多数计算机、通信和消费系统中的广泛使用。为了对抗这些SMPS产生的噪声和纹波，集成的片上电源电压调节和滤波不仅成为固定XO的必要功能，也成为可编程XO的必需功能。集成的调节和滤波有助于抑制电源导轨上常见的噪声，从而不会影响输出时钟的抖动性能。在大多数情况下，与传统的基于模拟的XO相比，额外的PSR性能将提高抖动裕度、扩展链路范围并增强系统性能。

集成的滤波和调节直接转化为BOM成本和部件数量的节省，因为设计者可以最小化甚至消除保持足够抖动性能所需的外部电源滤波器和铁氧体磁珠部件。例如，假设在基于模拟PLL的XO的电源上存在100kHz到1MHz范围内的100mVpp正弦纹波。贴片晶振，提高系统功率效率所必需的开关电源通常在该频率范围内工作。电源上这种大小的噪声会使使用基于模拟的PLL的典型XO的抖动性能降低，而无需芯片上滤波和从大约10ps（无电源噪声）到超过50ps（有电源噪声）的调节。这种降低的抖动性能使得常见的基于模拟PLL的XO不适合高速网络应用，例如千兆（GbE）和万兆以太网（10GbE）。

底线是什么？基于模拟PLL的XO的性能和频率限制迫使系统设计者使用固定频率的设备，这些设备往往缺乏集成的电源调节和滤波。因此，设计者发现自己回到了原点，几乎没有选择。

I2C数字可编程XO提供了一种通用的解决方案

I2C数字可编程XO为固定频率XO提供了灵活的替代方案。例如，如图2所示，Silicon Labs的可编程振荡器结合了传统的固定频率晶体参考和专利DSPLL技术，提供了I2C可编程输出，其可调频率分辨率优于万亿分之26。由于其独特的数字电路和广泛的内部电源调节滤波，基于DSPLL技术的振荡器很容易实现与基于固定频率SAW的振荡器相当的抖动性能。I2C可编程振荡器能够在不牺牲性能的情况下评估系统中的任何频率。此外，I2C可编程XO可以使用默认启动频率订购，并且它们与固定频率XO引脚和性能兼容。

图2:Silicon Laboratories的I2C可编程XO架构示例

总结
通过使用频率灵活的I2C可编程XO作为原型开发工具，开发人员可以极大地简化验证和最大化系统性能的过程，同时简化整个产品开发周期。在不改变材料清单、重新设计电路板设计或等待长交付周期XO的情况下更改时钟频率的能力，可以帮助设计师在优化功能和性能的同时，实现关键业务、上市时间的目标。