【技术】解析时钟Buffer芯片及关键参数

时钟芯片是高性能通讯系统中必不可少的核心芯片，其性能及可靠性直接影响着通讯系统的主要性能和系统稳定性。高速数据通信与5G网络为了降低误码率，需要保持较低的系统抖动及时钟抖动和更大容量、更低延迟的前传和回传解决方案。因此需要较多的时钟芯片（如晶体振荡器、时钟发生器、时钟缓冲器等）来提供必要的时钟发生和分配功能。

本文中电科星拓将为大家详细讲解下时钟Buffer的分类和关键参数等，首先电科星拓带大家先来看下时钟Buffer的分类有哪些。

时钟Buffer分类

在这里先对时钟芯片中用途广泛的时钟Buffer芯片做一个简单的介绍。几乎所有的电子系统都需要对系统中的很多芯片提供多个时钟信号，以建立该系统的运行节奏。这些时钟信号通常由晶体或晶振产生，频率范围可以从几MHz到几百MHz。但晶体振荡器通常驱动能力有限，很难驱动连接信号源与负载之间的电路布线或电缆。不同的芯片由于工艺制程、封装形式以及工作电压等不同，对时钟信号的格式、电平以及驱动能力也有不同的要求。

系统中的很多芯片都需要这些时钟信号，但是如果在设计中采用多个独立的晶体给不同的芯片提供时钟信号，会提高系统成本，增大电路板面积，而且会带来时间同步的问题，好的系统设计会选择使用单一主时钟振荡器作为时钟源，再将时钟信号通过时钟缓冲分配给整个系统中的各个芯片。所以现在的时钟Buffer基本都包括了时钟信号复制、时钟信号格式转换和时钟信号电平转换的功能。下面电科星拓就来讲解下时钟缓冲器两大分类：扇出缓冲器和零延迟缓冲器。

扇出缓冲器

扇出型缓冲器是一种将一路时钟源信号通过频率复制生成多路时钟信号的器件，通常时钟缓冲器还兼具有时钟分配，格式转换和电平转换的功能。如下图所示，时钟缓冲器的输入控制可以通过IN_SEL[1:0]来决定，分别可以通过CLKIN_0，CLKIN1或者XTAL作为参考输入，而输出的类型则根据实际应用，而后由调整OUT_MODE_A/B[1:0]的配置来对应实际应用做调整，实现格式转换和时钟分配的功能。

扇出缓冲器是许多时钟树的一个有用构建模块，可提供信号缓冲和输入信号的多个低偏斜拷贝。单输入中的时钟缓冲器可减少前一驱动器上的负载，并提供有效的时钟分配网络。单输出时钟缓冲器还用于将时钟从一个信号标准转化成另一个标准（例如，将LVCMOS输入转化成LVPECL输出）。一些器件拥有集成式晶体振荡器，只需要低成本的外部基频模式石英晶体。集成式振荡器提供极低的相位噪声参考时钟，用来驱动PHY时钟输入等抖动敏感型器件。扇出缓冲器是可用于多种应用的通用时钟构建模块器件。对于包括个人电脑、消费类电子产品或工业系统，以及高性能网络和通信系统在内的各种系统而言，它们都是分配时钟和信号的理想选择。

上图中列出了在实际应用中，许多用到时钟缓冲器的领域，例如用于低电压的LVCMOS、差分信号（LVPEC、LVDS、HCSL、CML、HSTL）、I2C控制以及标准的PCIe等，当系统需求的时钟多样化时，时钟缓冲器的优势就非常明显了。许多系统都要求具有多个低抖动系统时钟，以便实现混合信号处理和定时。

零延迟缓冲器

零延时缓冲器是一种可以将一个时钟信号扇出成多个时钟信号，并使这些输出之间有零延时和很低的偏斜的器件。很适合用于要求输入到输出和输出到输入的偏斜极小的各种时钟分发应用中。以下是一个10路输出的零延迟时钟缓冲器的原理框图。

如图中所示，它内置有一个使用基准输入和反馈输入的锁相环。反馈输入由其中一个输出驱动。相位检测器调整VCO的输出频率，使其两个输入没有偏斜或频率差。由于锁相环控制回路包括其中一个输出及其负载，它将动态补偿加在输出的负载上。这意味着从输入到输出有零延时（该输出驱动反馈，但不受输出负载的影响）。注意：这仅是受反馈输入监控的输出的情况，所有其它输出有输入到输出的延时，而该延时会受输出负载差异的影响。

零延迟缓冲器提供了输出端输入时钟的同步拷贝（无传播延迟），并且一般情况下无需转换频率。零延迟缓冲器均是基于PLL的器件，可重新生成带扇出的输入时钟信号，以驱动多个负载提供多种信号级，包括LVPECL、LVDS、HCSL、CML、HSTL、SSTL或LVCMOS。对于FPGA、CPU、逻辑和同步存储器等需要同步时钟的应用而言，零延迟缓冲器是它们的理想选择。

大多数零延迟缓冲器的延迟可通过外部反馈路径进行调节。这样可以实现对时钟信号到达负载所需计时的精确控制。当全部输出（包括反馈输出）均采用简单分频器时，可进行简单的频率转换以保持时钟同步化。

随着数字系统性能的提高，设计人员需要越来越细心地关注时钟发生和分配电路的设计，以避免时钟分配时序出现差异或不确定性。此类问题会降低系统性能，增加时序的不稳定性，或导致功能错误。为了避免时序偏移相关的问题，设计人员可以使用零延迟时钟缓冲器。

典型同步数字系统使用公共时钟来让操作按顺序执行。此时钟必须分配给所有顺序元件，使系统以期望的速率运行，并通常使用闭环控制来减小时序偏移。零延迟时钟缓冲器使用锁相环（PLL）来保证时钟输出与参考时钟输入保持一致，从而确保时钟时序近乎完美。

在零延迟缓冲器中，外部时钟输出管脚与时钟输入管脚是相位对齐的，没有延迟。下面用一个时序图来看下零延迟缓冲器的PLL时钟之间的相位关系：

零延迟缓冲器的PLL时钟之间的相位关系实例

所以这就需要在输入时钟与输出时钟上使用同一I/O标准，以保证输入与输出管脚上的时钟对齐，所以不能在PLL时钟输入或输出管脚上使用差分I/O标准。

同时，也要确保时钟输入（CLKIN）管脚与外部时钟输出（CLKOUT）管脚之间的相位对齐，需要在您的设计中例化一个双向I/O管脚。双向I/O管脚用作连接PLL的fbout和fbin端口的反馈路径。必须始终对双向I/O管脚分配一个单端I/O标准。PLL使用此双向I/O管脚来对从PLL的时钟输出端口到外部时钟输出管脚的输出延迟进行模拟和补偿（如下图所示）。

注：为避免使用零延迟缓冲器时造成信号反射，不要在双向I/O管脚上布线。

关于时钟Buffer的分类就先讲到这里，下面带大家一起来看下时钟Buffer有哪些关键参数。

时钟Buffer关键参数指标

附加（额外）相位抖动

时钟源经过缓冲器后，缓冲器本身的抖动会增加到时钟的内在抖动上，从而恶化整个系统时钟的相位噪声，这个参数定义为缓冲器的额外抖动或者在指定频带范围内的额外相位抖动。

时钟缓冲器本身不产生时钟信号，除非有输入信号，否则不能测量相位抖动。为了定性分析缓冲器对于相位抖动的影响，必须首先测量时钟源的相位抖动，然后是时钟源和缓冲器一起工作时的相位抖动。在计算相位抖动时通常做的假设是时钟源和缓冲器噪声不相关，而且由纯粹的随机抖动组成。

从以上公式可以推导出一个很有趣的现象，如果时钟源的抖动300fs，经过附加抖动为50fs的缓冲器后，理论上输出的总抖动为304fs，会发现实际恶化的程度并不高。如果时钟源抖动为50fs，经过同样的缓冲器后，输出总抖动为70.7fs，整体恶化了20多fs。由此可见当时钟源抖动很小时，缓冲器的附加抖动对整个系统的恶化程度就会非常显著。

不同时钟抖动测试系统对比

我们再从测量误差的角度展开一下，假如系统测量有±1fs的误差，第一个测试系统中测得的总抖动是303fs~ 305fs的话，计算得出的缓冲器附加抖动是42.5fs —55fs，实际误差-7.5fs到5fs。对于第二个测试系统来说69.7fs~ 71.7fs的总抖动，计算得出的缓冲器附加抖动是48.5fs~ 51.4fs，实际误差只有-1.5fs到1.4fs。从这个角度看，测试系统尽量选择抖动小的时钟源。

当然，附加相位抖动还依赖于输入时钟信号的信号转换率（slew rate）。较低的slew rate通常导致较高的附加抖动。同时不同的缓冲器，对于不同的slew rate时钟源，其附加抖动的性能差异也很大。

两个不同时钟缓冲器附加抖动对比-输入时钟信号转换率

输入时钟参数

不同的电子系统的时钟源是不一样的，有晶体、振荡器或者外部时钟，格式也不一样，有单端和差分。

输出时钟参数

包括输出路数、输出电压、输出格式等。随着电子产品的功能增加，对芯片功能和产品功耗的要求也越来越高，针对时钟buffer输出电压的要求也越来越多。

●输出路数：

选择带有足够多的输出端可以简化系统对时钟数的需求。元件减少可简化设计和采购流程，能够更快地投入市场营销，甚至能提高可靠性，从而增加产出。

●输出电压：

可以支持多种电压输出。例如：单端输出电压1.5V/1.8V/2.5V/3.3V，差分输出电压2.5V/3.3V。

●输出格式：

输出的信号类型，例如：LVPECL、LVDS、HCSL、CML、HSTL、SSTL或LVCMOS。

输入/输出频率范围

输入和输出频率的有效范围。一般的时钟缓冲器都要满足所有主流应用的频率需求。

内核供电电压

向时钟缓冲器供电的电源电压。它通常由系统中可用的电源电压决定，并往往会对输出的电压电平产生影响。

输出偏移

如果多路时钟输出被分别用在通信的驱动端和接收端做参考时钟，那么输出之间的skew就变得十分重要。这个值会减小数据建立保持时间的裕量，特别是对高速数据接口来说，整个时间窗口（T）变小，每一部分的预算都很有限，这时就需要关注缓冲器的这个参数对系统的影响。

电源噪声抑制比（PSRR）

输入电源变化量（以伏为单位）与转换器输出变化量(以伏为单位)的比值，常用分贝表示。对于高质量的D/A转换器，要求开关电路及运算放大器所用的电源电压发生变化时，对输出的电压影响极小。通常把满量程电压变化的百分数与电源电压变化的百分数之比称为电源纹波抑制比。

电源抑制比，是衡量电路对于输入电源中纹波抑制大小的重要参数，表示为输出纹波和输入纹波的对数比，单位为分贝(dB)[1]，其计算公式为：

式中：

针对以上时钟Buffer关键参数的讲解，大家对如何选择一个好的时钟buffer应该有了一个大概的认知，可以从使用场景的数据指标要求入手，选择适配这些指标的时钟Buffer即可。电科星拓推出的时钟Buffer可以满足多场景的应用，相关的产品可供大家选择。

时钟缓冲器新选择

针对时钟缓冲器的不同数据指标需求，电科星拓推出了多路单端和差分时钟缓冲器，对标市场主流应用型号。为服务器、存储设备、交换机和路由器等众多产品选择使用。具体可以参考如下参数规格表，有任何技术问题或样品需求欢迎大家联系世强平台工作人员。