【技术】电科星拓带您认识时钟发生器和缓冲器

时间： 2023-08-17 来源：电科星拓公众号

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2022年9月底电科星拓发布了一款时钟Buffer芯片——TBUF1510，时钟Buffer芯片是什么？其作用是啥？它被用在什么地方？如此这样的疑问困扰了不少读者。本文中电科星拓尝试给大家梳理时钟的起源和发展史，并带大家认识时钟发生器和缓冲器，以及电科星拓的时钟产品介绍，希望能解除大家心中疑惑。

时钟的起源

时钟起源于巴比伦，六千年前的巴比伦人制作出了日晷，通过太阳影子判断时间。后来为了弥补日晷在无光环境下的不足，设计出了滴漏，用水流速度判断时间。1283年，英格兰出现了首个机械时钟，并逐渐设计出钟楼、钟表等计时工具。

时钟的发展

时钟的发展经历了三个阶段：日晷计时、齿轮组成计时和电子芯片计时。回顾人类科学发展史，计时器的发展历史是与整个人类文明史同步的。对于生命个体而言，时间长河托起生命之帆。正是因为有了时间测量，人类得以准确记录下自己的生命足迹。

将石英晶体运用在钟表上是一种现代的发明，世界上第一个石英表是瑞士在1967年7月制成的。利用石英晶体会产生规律的振动，生成电子产品所需的时钟信号，推动着科技的高速发展。

进入二十一世纪，万物互联已经深入到通信、AIoT、汽车、消费、工业、医疗等众多领域。随之而来，不同应用场景下设备之间如何通过高精度时钟来同步协调，时钟产品也开始倍受广泛关注，时钟产品进入蓬勃发展时期，产品种类也越来越多。

常用的时钟产品主要分六个大类：振荡器、时钟发生器、时钟缓冲器、抖动衰减产品、时钟同步产品和其它简单的时钟器件。

本文中针对大家关心的问题，电科星拓将重点介绍时钟发生器和时钟缓冲器。

时钟发生器

什么是时钟发生器

时钟发生器就是常说的Clock Generator，是用来产生时钟信号的器件。时钟发生器常用于数字产品中，所有的组件根据时钟发生器产生的时钟信号来同步运算。数字产品必须有时钟的控制才能精确处理数字信号。若时钟不稳定，轻则造成数字信号传送上的错误，重则导致数字设备无法正常运作。

时钟发生器的作用

作用一：

时钟发生器可以在主板启动的时候，提供符合要求的时钟信号，让主板可以正常启动。

作用二：

时钟发生器可以在主板正常运行的时候，及时产生总线需要的时钟信号。这些由时钟发生器产生的信号可以进一步协调内存芯片的时钟频率。如果时钟发生器产生故障系统可能不能正常运行，最严重的情况系统将无法启动。

时钟发生器的电子组件以稳定的间隔连续产生电压脉冲，产品中的所有组件将与此时钟同步执行操作。简而言之，数字产品必须受时钟控制才能像生物心跳一样准确地处理数字信号。

为了满足电子产品的不断更新升级，时钟发生器的技术正朝着高频化发展，采用非挥发型硅氧化氮氧化硅（SONOS， SILICON oxide nitride oxide SILICON）技术，可制作出高达200MHz的时钟组件，并可通过编译程序进行编程。通过编译工具的协助研发工程师甚至不需要熟悉PLL技术，即可完成时钟的相关设定，降低产品设计难度。

主板时钟发生器时钟电路的需求

如果你是硬件工程师，你肯定知道工作时钟对于主板处理器、芯片组和主存储器等几个主要组件的重要性。依据摩尔定律，CPU的外部频率会越来越高。那么内频与外频有什么关系呢？内频=外频x倍频。前端总线（FSB）是连接处理器和北桥芯片的媒介，FSB以CPU的外频做为工作标准。在每个周期内FSB将完成两次或四次的数据传输任务。按照这个理论，如果外频是200MHz，完成4次传输就可以得到800MHz的FSB速度。

主板上各种组件需求的工作频率不都是一样的，所以主板的时钟电路需具备提供各种不同工作频率的能力。在以前的主板设计中，石英振荡器担当产生工作时钟频率的角色。但是它存在一个缺点，那便是一次只能输出一种频率。现在主板通常需要多种不同的时钟频率，所以老式的设计不再适合我们的需求。因此，很多厂商便推出了功能强大、可产生多种频率的芯片。本质上，该类型芯片是将多个振荡电路集成了。

现在工程师在设计主板时，可能会遇到需求较多时钟通道的设计需求，这种情况全部去用时钟发生器会增加成本和设计复杂性，这个时候用时钟缓冲器就可以很好的去解决这些问题，下面我们就来看看缓冲器的功能和应用。

时钟缓冲器

什么是时钟缓冲器

时钟缓冲器就是常说的Clock Buffer，主要分为扇出缓冲器和零延迟缓冲器。时钟Buffer本身是无法产生频率源的，它的主要作用是将晶体或晶振产生的时钟信号进行复制、格式转换及电平转换。选对合适的时钟Buffer，可以减少晶体或晶振使用，降低系统成本。

时钟缓冲器的主要应用

应用一：时钟信号复制

时钟信号复制简单理解就是将一路时钟源信号通过频率复制生成多路时钟信号。

图. 差分时钟Buffer功能框图

从上图中可以看到1路时钟信号输入可以分出5路相同的时钟信号输出，并且可以通过OE管脚控制信号输出与否。

应用二：时钟信号格式转换

除了时钟信号复制外，现在很多时钟Buffer也同时具有时钟信号格式转换功能，将一种格式的输入时钟信号转换成另一种格式输出。

下图是这种Buffer的功能框图，输入可以选择3路中的任意一路，其中输入口0和1支持的信号格式可以是LVPECL、LVDS、HCSL、SSTL、LVCMOS、LVTTL中任意一种，而XTAL输入口则支持无源晶体输入。差分输出时钟类型可以通过OUT_MODEA【1:0】及OUT_MODEB【1:0】分别单独配置，选择LVPECL、LVDS、HCSL或高阻状态。

图. 时钟信号格式转换

在服务器、网络设备、存储设备等应用中，像CPU、PCIe交换芯片、PCIe扩展卡、Wifi控制器、GE口等很多芯片之间都是通过PCIe协议来传输高速数据，系统中需要多个HCSL格式的100M参考时钟，而市场上没有直接输出HCSL信号的晶振，这时可以用100M LVDS或LVPECL输出的晶振，通过Buffer转换为100M HCSL时钟信号格式来满足应用。

应用三：时钟信号电平转换

图. 差分输出Buffer功能框图

在上图中，大家看到有VDD的多个电源PIN，这里的VDD_CORE是核心电压，也是输入时钟信号的电压，而输出信号电压可以不同于VDD_CORE，比如VDD_CORE是3.3V，而VDD_IO可以选择3.3V、2.5V、1.8V等多种电压输出，即时钟信号的电平转换。

据悉，除了2022年9月发布的一款时钟Buffer——TBUF1510，为满足客户时钟相关电路设计需求，电科星拓已推出一系列时钟发生器和时钟缓冲器芯片，感兴趣的工程师朋友可以联系世强平台工作人员做进一步了解。

电科星拓时钟芯片系列

产品型号

应用领域

服务器、存储设备、PCIe卡、以太网线卡、射频拉远单元和基站单元、无线基础设施和有线基础设施、网络和数据通信、医疗成像、便携式测试和便携式测量。

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