採用頻率靈活的晶體振盪器進行原型設計
採用頻率靈活的晶體振盪器進行原型設計
Phil Callahan / Silicon Labs
一般於新系統開發前期設計人員就需先選定時脈。時脈速率是需要提前確定的關鍵參數，但有時需要經由實驗和重新估算才能確定。在產品設計中，如果在原型設計及驗證階段能快速改變時脈頻率，將能縮短上市時間。使用頻率可調的可編程晶體振盪器（XO）能夠加快驗證系統效能的過程，有助於縮短產品整體的開發週期。
多頻測試
在進行系統設計時，有時常需於設計後期改變頻率。例如，在開發過程中，對時脈速率進行試驗和最佳化，通常可改善效能，使設計擁有更高的效能。在某些情況下，基於設計缺失和計算錯誤往往需要改變頻率，此時若採用頻率可編程的XO是相當有助益的，它無需改變原物料清單或PCB配置即可轉換頻率，但如果使用固定頻率的XO，開發週期將會延長數周甚至數個月。
基於FPGA的應用設計很有可能到最後一刻仍需改變設計，FPGA極大的靈活性意味著可以快速調整邏輯線路頻寬和資料速率以改善功耗、吞吐量或閘極電路的利用率。例如，改變資料線路頻寬或降低時脈速率就是一種滿足FPGA設計最後階段的時序要求最有效的方法。另外，在某些混合訊號電路中，例如晶片上的SerDes收發器，可由最佳化時脈的過程中受益。輸出抖動效能和位元錯誤率往往直接取決於時脈頻率。快速改變時脈頻率有助於實現最佳的時脈速率，進而獲得最佳效能。
頻率裕量
使用標準頻率的系統也能從使用頻率靈活的XO中受益，例如在產品測試階段進行設計驗證和頻率裕量（Margin）檢測。雖然乙太網MAC或PHY規定採用156.25MHz的參考XO，但是固定頻率參考時脈不能進行速率公差實驗。為了估量系統公差，設計人員必須使用能夠產生156.25+100ppm MHz和156.25-100ppm MHz的外部時脈源，或者必須重新建構電路板配置更快或更慢的XO。這些方法既受限制又費時，特別是當多塊電路板需要在多種溫度條件下進行測試時。
頻率裕量檢測也可以透過使用多個XO和一個多工器來實現，如圖1所示。但這種組合的缺點是頻率數量有限，而且在不同頻率之間切換時會產生額外雜訊和相位中斷。另外，這種方法也需要不同的PCB封裝用於驗證和生產。
圖1. 採用多個XO和一個多工器進行頻率裕量檢測
使用外部時脈源或多個XO進行頻率裕量檢測，通常會限制設計人員取得精確頻率調整、或驗證在可疑區域進行連續調頻的能力。這可能會導致額外工作，也會因為需要交付額外時脈頻率而延長設計週期。例如，如果系統在+100ppm正常工作，而在+55ppm工作失敗，以上這些方法就無法有效捕獲失敗。
傳統頻率靈活的XO不敷應用挑戰
解決頻率裕量檢測問題的更好方法是使用晶片內可編程的XO，這種XO能夠產生連續頻率，並具高度的頻率精確度，而且不會導致相位調變或損害相位抖動效能。傳統的XO不具備這種頻率彈性，因為它們依賴於機械調諧的晶體，這些晶體被切割成特定的諧振頻率。每一種新的頻率需要一個不同尺寸的晶體。
為了滿足此需求，傳統XO供應商採用類比電路技術，如鎖相迴路（PLL）以克服傳統晶體振盪器頻率固定的限制，但類比PLL通常受限於2的次方或整數倍頻。這些解決方案不能滿足開發人員對所有頻率編程或「調諧」靈活頻率的精確度要求。
電源抑制效能也會影響系統設計和調整時間
眾所周知，類比PLL對雜訊很敏感，往往會耦合和放大電源和內部VCO的雜訊，並傳送到輸出訊號，這種敏感度使得類比PLL不適用於高效能系統中來驅動超低抖動時脈訊號。由於運行環境雜訊複雜，系統的時脈靈活性就非常重要；為了因應所有電源雜訊，時序對原型調整階段而言是相當關鍵的環節，PCB需要經常修改和重新設計，這便延長了系統驗證和產品推出的時程。
在大多數電腦、通訊和消費性產品中，主要的系統雜訊是由於瞬間負載開關電流和廣泛使用的開關電源（SMPS）引起的。對於固定的XO和可編程XO，為了消除因SMPS產生的雜訊和波紋，晶片內整合電壓調節和濾波電路成為必然性。整合調節和濾波電路有助於抑制電源雜訊，避免損害輸出時脈的抖動效能。在大多數情況下，相較於傳統的類比XO，額外的PSR效能將可改善抖動裕量，擴展連結範圍，增強系統效能。
整合濾波和調節電路會直接降低BOM成本，減少元件數量，使設計人員可以盡量減少或甚至消除原用以維持所需抖動效能的外部電源濾波和磁珠元件。例如，假設基於類比PLL的XO的電源上存在100mVpp正弦紋波，頻率範圍100kHz-1MHz，為提高系統電源使用效率，開關電源通常運行在這個頻率範圍內，電源的雜訊會降低基於類比PLL的傳統XO（晶片未整合濾波和調節器）的抖動效能，從約10ps（無電源雜訊時）降低到逾50ps（有電源雜訊時）。降低的抖動效能使得類比PLL的XO不適用於高速網路應用，例如Gbit乙太網（GbE）和10Gbit乙太網（10GbE）。
結果如何？基於類比PLL的XO在效能和頻率上的限制迫使系統設計人員採用缺乏整合電源調節和濾波電路的固定頻率元件。最後，開發人員發現他們又回到了原點而且沒有其它太多的選擇。
I2C數位可編程XO提供通用的解決方案
值得慶幸的是，I2C數位可編程XO提供了可取代固定頻率XO的靈活方案。例如，如圖2所示，Silicon Labs可編程振盪器結合了傳統固定頻率晶體和專利DSPLL技術，提供I2C可編程輸出，其可調頻率精確度優於26ppt（parts-per-trillion）。獨特的數位電路和大量的內部電源調節濾波，使得基於DSPLL技術的振盪器可輕易獲得與採用SAW技術的固定頻率振盪器相媲美的抖動效能。I2C可編程振盪器可對系統中的任意頻率進行評估，且不會損害效能。此外，I2C可編程XO能夠由工廠定製默認啟動頻率，並且可獲得與固定頻率XO相容的接腳和效能。
圖2. Silicon Laboratories的I2C可編程XO架構圖
總結
經由使用頻率靈活的I2C可編程的XO進行原型時脈設計，開發人員能大大簡化驗證過程、最大化系統效能，並縮短產品的開發週期。可調式時脈頻率XO，使設計人員無需更換物料清單、重新設計電路或等待較長的交貨時間，種種優勢可最佳化產品功能和效能，並實現快速上市的目標。
<本文曾刊登於新電子>
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