低抖动差分时钟：赋能AI时代光网络精准同步

时间： 2024-05-30 来源：大普通信

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差分晶振是一种有源晶体振荡器，通过将晶体振荡器中的振荡信号分成两个相位相反的输出信号，并通过差分放大电路进行放大和处理，产生稳定的差分输出信号。差分晶振具有较好的抗干扰能力，能提供更稳定、更精确的时钟信号，广泛应用于通信网络、数据中心、汽车电子、工业自动化、测试测量、医疗设备等领域。

图1 差分晶振

差分晶振常用输出模式

1）LVPECL模式

LVPECL (Low Voltage Positive Emitter-Couple Logic，低电压正发射极耦合逻辑）是主要的差分输出之一。它通过避免晶体管饱和，实现更快的开关速度，并配备恒定电流源驱动器。由于大电压摆动（通常为600-1000mV），LVPECL具有卓越的抖动性能，从而输出低噪声信号，适用于PON、显卡、光模块、智能网卡等。

LVPECL由PECL（Positive Emitter-Coupled Logic，使用5V电源的正发射极耦合逻辑电路）演变而来。PECL电路的输出结构包含一个差分对管和一对射随器。输出射随器在正电源范围内工作，直流电流始终存在，有利于提高开关速度，保持较快的关断时间。LVPECL的标准输出是通过50Ω上拉至（VCC-2V）的电平，如图2所示。

2）LVDS模式

LVDS （Low Voltage Differential Signaling）可同时提供低功耗和低电磁干扰 (EMI)组合，由于电压摆幅较小（通常为350mV），相比LVPECL差分输出模式功耗更低，负载阻抗为100Ω的差分线上的电流一般不超过4mA，使其不易受噪声影响，在音视频处理器、服务器、路由器和交换机等应用中非常重要。

LVDS是一种低摆幅的差分信号技术，它使得信号能够在差分PCB 线对或平衡电缆上以百Mbps的速率传输，其低电压幅度、低电流驱动输出使其具备低噪声、低功耗的特性。LVDS标准输出负载为差分形式，阻抗为100Ω，如图3所示。

3）HCSL模式

HCSL是一种高速差分信号，通常在较低的电压水平工作，在90年代末开始用于高速串行计算机扩展总线标准(PCI Express)参考时钟。其特点包括极低的抖动和功耗，使得该类晶振广泛应用于系统内部的高速串行通信、时钟分配和数据通路等对速度、功耗、性能要求高的场景。

差分晶振的优势

差分晶振的优势主要体现在：

1）抗干扰能力高：

差分晶振采用差分方式进行信号生成，在输入和输出引脚之间使用差分信号传输，对环境中的电磁干扰具有较强的抵抗能力。相对于单端晶振，差分晶振可通过正负极性的相互抵消，削弱噪声干扰对时钟信号的影响。

2）时钟抖动小：

能够有效减少时钟信号的抖动，提升信号的稳定性和精度，进而增强系统性能与稳定性。

3）改善时钟信号传输质量：

可以在时钟信号传输过程中提供更高的信号品质，能够减少共模噪声的影响，有效降低信号传输的损耗和失真，提高信号传输的可靠性和稳定性。

4）增加噪声容限：

可以增加时钟信号的噪声容限，提供更大的时钟信号幅度，降低时钟信号的失真和抖动，有助于保持信号的完整性和准确性。

差分晶振的应用

差分晶振凭借其优势，应用于多个领域：

通信系统：应用于无线通信、网络设备及传输系统，确保时钟信号与频率参考的稳定性，从而提升数据传输的精确性与可靠性。

数据中心设备：服务器与数据存储等设备中，差分晶振提供精确的时钟同步与数据传输，保障计算机系统的稳定运行与数据准确性。

汽车电子：为发动机控制、车载娱乐与导航系统等提供精确的时钟与频率控制，确保汽车电子系统的稳定与可靠。

工业自动化：在工业自动化控制系统中，包括PLC、机器人及传感器等，差分晶振提供稳定的时钟信号与精确的时间测量，保证系统的精度与可靠性。

测试测量设备：应用于其中的时钟、计数器、频率计等，确保测试结果的准确与稳定。

医疗设备：为时钟与数据采集电路提供准确稳定的支持，确保医疗数据的准确可靠。

大普技术的差分晶振融合自主研发的先进IC与高品质晶片，不仅性能指标卓越，还依托持续的创新迭代能力，确保技术的先进性和适用的广泛性。通过精细的电源管理和优化的电路设计，大普差分晶振在保持高性能的同时，实现了成本的有效控制和供应链的坚固稳定，为用户提供极具竞争力的选择。

图5 大普技术差分晶振产品系列

在高速数据传输领域，数字信号处理器（DSP）的参考时钟频点一般为156.25MHz，其内部通过锁相环（PLL）将此基频倍频，生成与数据转换速率匹配的时钟信号，同时对差分晶振的应用提出了小型化、低功耗（不超过100mA）等需求。大普面向市场，提供性能优异的解决方案，156.25MHz差分晶振不仅支持3225、2520主流封装尺寸，而且功耗低至80mA以下，若DSP的电压摆幅允许，大普还可提供功耗更低的LVDS输出版本，进一步满足市场对节能高效产品的需求。

图6 156.25MHz差分晶振在光模块中的应用

以全面的频率覆盖、多样的输出选项、卓越的温控稳定性、低功耗特性和超低抖动表现，大普差分晶振展现出在不同应用场景下的高度灵活性和可靠性，广泛应用于SONET/SDH、千兆以太网、串行ATA、PCI-Express、存储区域网络、光纤通道、工业控制器、测试与测量、光纤通道和通信等领域。随着AI算力等技术的不断进步，大普差分晶振将在更广泛的领域内得到应用，助力人工智能产业的蓬勃发展。

大普技术在时频领域深耕细作近二十年，已搭建覆盖全等级高稳时钟（Crystal、SPXO、TCXO、OCXO、Clock Module、Timing Server）、多品种时钟芯片的全时钟产品链（RTC、BUFFER、1588、All-Silicon OSC等芯片），能够提供一站式时钟解决方案。大普产品从研发、生产、终测到交付，全程实现自主控制，是全球少数具备规模化提供高稳时钟产品与整体时钟解决方案能力的厂商之一。

未来，大普技术将继续深化技术创新，推动时钟产品智能化，紧随人工智能、物联网、5G等科技浪潮，以精准、高效时钟解决方案赋能各行各业，共筑稳定可靠的未来世界，为用户创造更大价值！

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