如何滿足高性能時鐘IC需求

操作理論

圖 1 為高性能時鐘設備的基本 PLL 架構。該設計使用比例因子為 PLL 輸出端口提供時鐘合成。最終輸出頻率的基本公式為：

圖 1：簡化高性能時鐘的 PLL 架構框圖

圖1中的橙色框圖為參數，使用這些參數的方程式為可編程方程式。這些參數可以在出廠時寫入時鐘設備的非易失性存儲器。時鐘設備具有內部易失性和非易失性存儲器，兩個存儲器互相復制其內容。非易失性存儲器在出廠時已被寫入所需配置，在最終應用中，當設備啟動電源時，非易失性存儲器的內容會被復制到易失性存儲器。同時，PLL 產生所需的默認時鐘輸出。

時鐘 IC 的重要特性之一就是通過 I2C 接口實現運行時可編程。通過可編程功能，用戶可以更改設備的易失性存儲器內容以進行即時更改。只需使用適當的 I2C 指令，就可以通過主控制器實現用戶配置文件的即時編程功能。

設備的非易失性存儲器還可以存儲預定義的多用戶配置。用戶可以使用頻率選擇 (Frequency Select, FS) 功能以選擇其中一個配置。該 FS - 位為設備中可用的 CMOS 輸入引腳。FS 引腳應用 N - 位外部 CMOS 信號，然后內部選擇存儲在非易失性存儲器中的一個配置文件，這個配置文件同樣也被復制到了易失性存儲器，PLL 則輸出不同的信號。

同時，微控制器通過 I2C 提供數據來控制高頻時鐘。使用微控制器的優點是，它具有不同的通信外設和通信協議，如 I2C、SPI、UART、藍牙、ZigBee 等，使得系統能夠以主從配置將數據傳輸到其他微控制器，也可以使用一個自定義的應用傳輸至安卓和 iOS 設備。此外，微控制器還配有各種 IDE 工具用于簡化設計。這可以更好地證明使用 I2C 指令來配置 PLL 參數、編寫并驗證定制應用程序是合適的。

高性能時鐘的應用需求

高性能時鐘 IC 專為消費者、工業和網絡應用而設計。此類時鐘 IC 具有多個從不同 PLL 導出的差分輸出和單端輸出，并且可以通過 I2C 接口實現可編程功能。此外，高性能時鐘 IC不僅可以支持 PCI Express (PCIe) 1.0 / 2.0 / 3.0、USB 2.0 / 3.0 和萬兆以太網 (GbE）等關鍵接口標準的參考時鐘。還能支持壓控晶體振蕩器 (VCXO) 和頻率選擇 (FS)等其他增值功能。

高性能時鐘 IC 采用設計實現 I2C 從機模式。因此，需要一個板載 I2C 主機來控制以下可編程功能：

• 通過 I2C 接口進行系統內編程

• 通過頻率選擇 (FS) 引腳更新配置

• 外部復位操作

• 壓控晶體振蕩器 (VCXO) 操作

圖 2：微控制器 - 高性能時鐘接口電路

微控制器在時鐘 IC PLL 控制中的作用

如圖 2 所示，將時鐘 IC 連接到微控制器電路。時鐘 IC 具有內部 PLL 模塊，其功能是提供作為固定直流電壓的調諧電壓 (Vtune) ，而調諧電壓將隨頻段而變化。PLL 模塊在輸入端接收本地振蕩器頻率，由內部前置放大器放大信號。另外，預分頻器對輸入頻率進行下變頻，并將其作為輸入傳送至相位比較器。

圖 3：PLL 模塊的微控制器控制

微控制器通過 I2C 發送數據到可編程分頻器。該分頻器也接收來自參考振蕩器（例如 4 MHz 晶體振蕩器）的輸入。相位比較器（即相位檢測器）通過預分頻器接收本地振蕩器頻率（例如 87.15 MHz），還通過參考分頻器和參考振蕩器接收微控制器的輸入（例如，87.15 MHz）。如果兩個輸入都匹配，相位比較器將提供 Vtune 調諧電壓。一旦本地振蕩器頻率與微控制器頻率數據之間稍有不匹配，都將無法提供調諧電壓 (Vtune) 和輸出。圖 3 所示為完整的框圖。

在微控制器的幫助下，PLL 通過調諧本地振蕩器頻率產生閉環，并在輸出端產生調諧電壓。調諧電壓將從較低頻率信道增加到較高頻率信道。通過改變預分頻器和可編程分頻器的值，微控制器可以調整步長。

步長 =（本地振蕩器頻率/預分頻器）X（可編程分頻器/參考振蕩器）

表 1 所示為部分配置

通過 I2C 接口進行系統內編程

系統內編程可為系統設計實現快速有效的迭代。編程數據序列可通過 SCL 和 SDA 引腳傳送到時鐘器件，把操作順序編程至板載微控制器（主設備）中，通過命令和數據在運行時與從機時鐘進行交互。

此處為系統示例，其中時鐘信號必須以采樣率的倍數為準。該時鐘頻率在 155.52 MHz 和 156.25 MHz 兩組頻率之間變動。這意味著驅動串行控制器的時鐘必須能夠在這兩個值之間靈活切換。微控制器主設備可以訪問并修改寫入易失性存儲器的 PLL 配置，從而滿足這兩個頻率需求。

通過頻率選擇 (FS) 引腳更新配置

高性能時鐘設備支持包含個性化配置的多個用戶配置文件。在 FS 引腳轉換方面，高性能時鐘器件具有兩個時序規格 - 快速切換和慢速切換。

快速切換適用于輸出 ON/OFF 、輸出分頻值變化，以及輸出 MUX 設置更改。慢速切換則適用于更改 PLL 參數（包括 PLL ON/OFF）。顧名思義，快速切換中的輸出變化更快，而慢速切換的速度較慢。兩種切換類型都可以打開或關閉輸出，并且不出絲毫差錯。圖 4 所示為 FS 與輸出時鐘之間的時序關系。

圖 4：頻率選擇操作

外部復位操作

當外部復位生效時，時鐘 IC 進入低功耗模式。輸出和 I2C 總線信號處于高阻抗 (HI-Z) 狀態，直到取消外部復位并完成初始化。外部復位重啟易失性存儲器內容，存儲在非易失性存儲器中的配置則被復制到易失性存儲器。當需要重新初始化任意一個系統中運行的應用程序時，該功能將被使用。

壓控晶體振蕩器 (VCXO) 操作

對某些應用而言，輸出時鐘頻率應通過使用模擬反饋跟蹤輸入數據流。如圖 5 所示，時鐘 IC 作為大鎖相環的一部分。ASIC 或 SoC 負責跟蹤輸入流、計算誤差并產生 PWM 信號（通常來說），隨后將誤差信息反饋至本地時鐘發生器以進行頻率調諧。

圖 5：VCXO 示例電路

VCXO 功能能夠修改 PLL 頻率，因此頻率牽引不依賴于晶體特性、溫度、電壓或設備工藝。VCXO 調制是線性、精準調制。也可以使用時鐘參考。通過微控制器的內置模擬模塊，VCXO 的控制邏輯精準到小數點后 6 位。

作為 I2C 主設備，微控制器將配置寫入時鐘 IC 的內部易失性存儲器并控制 PLL。因此，通過板載 MCU-IC 組合可以實現系統時鐘頻率的動態更新。開發人員可以使用可編程微控制器，為高性能時鐘 IC 提供控制邏輯。這可以減少對板載 IC 和走線數量的需求，使得整個系統設計更加緊湊。