【導讀】提到電子設備的“心臟”，很多人會不約而同地想到時鐘芯片，因為其作用就是基于一個參考頻率源（如石英晶體或單端或差分時鐘），產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”，以確保系統中各個功能模塊都能夠以此為基礎穩定運行并互相協同。
從更嚴格的定義上看，時鐘芯片就是在電子系統中生成、調節、操縱、分配或控制計時信號的集成電路，其核心的作用有兩點：一是生成準確的時鐘脈沖信號，二是持續可靠地分發該信號供系統內的各種計時設備使用。可以想見，隨著當今電子系統運行速度越來越快，運行的環境越來越復雜，時鐘芯片面臨的設計和應用挑戰也會越來越大。
時鐘發生器的選型
時鐘發生器是一種常見的時鐘芯片，顧名思義，它扮演的角色就是產生同步系統操作所需的計時信號。最基本的時鐘發生器由諧振電路和放大器組成，被廣泛地應用在各類電子和信息通信產品中。諧振電路通常是一塊石英壓電振蕩器，也可以使用簡單的儲能電路甚至是RC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鐘信號，這個過程也被稱為頻率合成或時鐘合成。
由于是為整個系統提供一個頻率基準，因此電子電路對于時鐘發生器這個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馬虎。具體來講，衡量時鐘發生器性能的優劣，主要有以下一些關鍵指標：
時鐘抖動
這是用于測量時鐘在時間域或頻率域內與理想信號之間誤差量的一個指標，也是反映時鐘信號質量的關鍵指標。
頻率范圍
不同的時鐘發生器會根據目標應用的頻率要求進行優化，有些器件會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。
輸入和輸出信號類型
每個時鐘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。有些時鐘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
即器件工作所需的電壓。一般來講，較低的電源電壓對應著更低的功率損耗。在不犧牲性能的情況下盡可能節省功率，自然是理想時鐘發生器所追求的目標。
集成度
像其他芯片一樣，在滿足系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鐘發生器向著更高的集成度發展。
靈活的可編程時鐘發生器
值得關注的是，隨著應用的發展，時鐘發生器也面臨著新的挑戰。
首先，隨著電路復雜性的增加，如果要滿足電路中不同芯片和接口在時鐘信號方面的要求，傳統的解決方案需要由多個分散的晶振提供支持，而這種方法很可能會引發多個時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，開發者需要選用不同的時鐘源器件，這無疑會增加整個研發的工作量和BOM的復雜度，對于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“可編程時鐘發生器”就應運而生了。大家知道，很多時鐘信號發生器采用的是鎖相環時鐘（PLL時鐘）架構，其通過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。所謂可編程時鐘發生器就是通過改變電路中倍增器或分頻器的參數來定義具有不同輸出頻率的時鐘信號，也就是說無需修改硬件，即可從相同的輸入頻率產生不同的輸出頻率，這自然是為開發者提供了一種極具靈活性和可擴展性的解決方案。而且很多可編程時鐘發生器還支持同一個器件輸出多路時鐘信號，這對于節省系統空間、實現更緊湊的設計也是大有裨益的。
總而言之，可編程時鐘發生器可通過取代分立的晶體、振蕩器等時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發帶來極大的靈活性，因此成為了一個頗受關注的時鐘芯片門類。
高性能、低功耗可編程時鐘發生器
正是認識到了可編程時鐘發生器的獨特價值，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鐘發生器產品。
其中，VersaClock??系列就是很有代表性的一個產品家族，目前已經發展出了20多個可編程時鐘發生器產品組合，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，非常適合用于消費類、電信、數據通信和網絡應用。
圖1：VersaClock系列主要產品
（圖源：Renesas Electronics）
具體來講，VersaClock系列產品包括VersaClock 7、VersaClock 6、VersaClock 5、VersaClock 3S等幾個子系列，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頻率范圍內），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，該時鐘發生器的工作核心功率仍低于100mW（比競爭產品低50%），低功耗表現也不俗。
VersaClock 6可編程時鐘發生器相對來講更偏重于高性能，其RMS相位抖動低于500飛秒（fs），適用于10G以太網、PCI Express 1/2/3代標準、PHY參考時鐘和高端FPGA等對于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制在30mA，以盡可能降低系統的功耗。
VersaClock 7是VersaClock系列的新產品，適用于高階計算、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，在同系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%，有助于開發者實現更緊湊的設計；此外，該系列時鐘發生器還提供集成晶體選項，可進一步節省系統空間并優化BOM。
圖2：VersaClock 7可編程時鐘發生器
（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，用于節省空間和優化BOM
圖3：VersaClock 7可編程時鐘發生器框圖
（圖源：Renesas Electronics）
圖4：VersaClock系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，用于評估VersaClock時鐘發生器。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，用于Hi-Z探頭
● 跳線可選電壓設置，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，基于RICBox這個新推出的軟件平臺，客戶可以使用Python驅動或Windows GUI來創建自定義配置，并對評估板上的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的創新云端實驗室平臺無縫對接，用戶還可以下載自己創建的配置并在本地使用RICBox進行操作，或者是將配置上傳至云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可編程時鐘發生器在性能、設計靈活性方面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
在電子系統中，時鐘元件是系統穩定運行、精準通信的基石。而隨著系統復雜性的增加，從一個或多個參考頻率中產生多種頻率的時鐘信號，且可以通過編程靈活配置輸出頻率的可編程時鐘發生器更是成為市場上的大熱門；而且伴隨著各種應用不斷發展，對這種精準、靈活、小巧的時鐘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鐘產品組合、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，你想不想也來嘗試一下？
來源：Mouser
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