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聊聊时钟缓冲器(Buffer)的几种典型应用

通常讲的扇出型时钟缓冲器(Buffer),主要功能可以分为时钟信号复制,时钟信号格式转换,时钟信号电平转换。下面我们针对这些功能介绍几种典型的应用场景。

【导读】通常讲的扇出型时钟缓冲器(Buffer),主要功能可以分为时钟信号复制,时钟信号格式转换,时钟信号电平转换。下面我们针对这些功能介绍几种典型的应用场景。


典型应用一: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1,INS6104A功能框图,从图中可以看到1路时钟信号输入被分出4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。


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图1:INS6104A功能框图


例如:在某一款PC控制主板上有CPUCPLD、网络处理ASIC、时钟发生器等多颗芯片,都需要25MHz的参考时钟信号,可以选择的方案有:


方案1:选择一个晶振同时为几个芯片提供参考,这种方案很大的弊端是时钟信号完整性问题。这种点到多点的连接无法做到阻抗匹配,信号反射会很严重,导致时钟信号沿的单调性、过冲振铃等问题,进而可能导致误触发,造成系统失步,因此多数应用都需要点对点的拓扑。


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图2:单个晶振解决方案


方案2:选择4个晶振分别给4个芯片提供参考,这个方案的优势就是PCB布局走线更灵活方便,可以保证时钟信号的完整性。当然明显的劣势就是成本高,特别是对于参考频率指标要求高的场景,高性能的晶振本身成本就高,往往功耗也比较高,电源部分的处理会进一步增加方案成本。另外布局灵活的同时,也会占用更大的PCB板空间。


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图3:多个晶振解决方案


方案3:一个晶振加上一个时钟缓冲器(Buffer)芯片,这也是最常用的方案。通过Buffer的频率复制功能,可以做到点到点的拓扑结构,很好的解决信号完整性问题,做到最佳性价比。


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图4:晶振和Buffer解决方案

典型应用二:时钟信号格式转换


除了时钟信号复制外,还有很多时钟Buffer同时具有时钟信号的格式转换功能,就是将一种格式的输入时钟信号转换成另外一种格式的输出。


下图是两款具有这种功能的Buffer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中的任意一种,而OSC输入口则支持无源晶体输入。INS6110可以将任意一种类型的输入时钟信号转换为10路LVCMOS单端输出时钟信号,而INS6310则可以输出2 个Bank共计10路差分时钟和1路LVCMOS单端时钟。差分输出时钟类型可以通过OTYPEA【1:0】及OTYPB【1:0】分别单独配置,选择LVPECL、LVDS、HCSL或高阻状态。


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INS6110功能框图

图5:单端输出Buffer功能框图


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INS6310功能框图

图6:差分输出Buffer功能框图


在数据中心、服务器、网络监控设备等应用中,很多芯片之间都通过PCIe接口通信,比如CPU、 PCIe交换芯片、PCIe扩展卡、Wifi 控制器、GE口等,都是通过PCIe口来传输高速数据,系统中需要多个HCSL格式的100M的参考时钟,而市场上没有直接出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。


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图7:时钟信号格式转换

典型应用三:时钟信号电平转换


在图5、图6中,大家可能已经注意到了它们都有VDD,VDDOA,VDDOB等多种电源,这里的VDD是核心电压,也是输入时钟信号的电压,而VDDOX则是输出信号电压,VDDOX电压可以不同于VDD,比如VDD是3.3V,而VDD可以选择3.3V、2.5V、1.8V等多种电压输出,这就是时钟Buffer的第三种典型应用,即时钟信号的电平转换。在已有频率源和实际芯片要求的参考频率电平不一样时,可以通过时钟Buffer来实现时钟信号的电平转换。

以上几个案例可以看到:时钟缓冲器(Buffer)与晶体或晶振是密不可分的。单独的时钟Buffer本身无法产生频率源,它可以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。在需要这些功能的应用场景,选择合适的时钟Buffer可以极大的优化系统时钟方案和性价比。

大普通信在时频领域深耕近20年,专注于高稳时钟的研发,目前产品包括Timing Server、Clock Module、OCXO、TCXO、SPXO、Crystal等系列,符合国际时钟等级标准GR-1244-Core 1~4级,性能指标处于行业领先水平。

因为对时钟信号有深刻的理解,大普在Buffer设计上有先天优势,可以将时钟源和Buffer特性完美匹配,输出超低抖动的时钟信号。大普已推出多款单端和差分输出Buffer,目前还有更多的芯片在研发的路上,即将面市,多系列的高稳时钟和Buffer产品,及其它时钟芯片,可以为客户提供“一站式”的、最优匹配的解决方案。




THE END
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