基于高速串行接口的高效時鐘解決方案設(shè)計

數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計師們面臨著許多新的挑戰(zhàn)，例如使用采用了串行器/解串器（SERDES）技術(shù)的高速串行接口來取代傳統(tǒng)的并行總線架構(gòu)。基于SERDES的設(shè)計增加了帶寬，減少了信號數(shù)量，同時帶來了諸如減少布線沖突、降低開關(guān)噪聲、更低的功耗和封裝成本等許多好處。而SERDES技術(shù)的主要缺點是需要非常精確、超低抖動的元件來提供用于控制高數(shù)據(jù)速率串行信號所需的參考時鐘。即使嚴(yán)格控制元件布局，使用長度短的信號并遵循信號走線限制，這些接口的抖動余地仍然是非常小的。

固定頻率振蕩器可用于很多通用的SERDES標(biāo)準(zhǔn)；但是，這些解決方案價格昂貴。此外，這種做法缺乏靈活性，并且使調(diào)試、測試和生產(chǎn)變得困難。

另一種解決方案是使用可編程時鐘器件，如萊迪思的ispClock系列，以及一個低成本的CMOS振蕩器。ispClock器件具有超低抖動特性，同時保留了用戶可編程器件所提供的靈活性，從而滿足SERDES時鐘的一系列要求。本文將解釋如何更有效地使用可編程時鐘器件，實現(xiàn)各種基于SERDES接口的參考時鐘子系統(tǒng)。下面將詳細(xì)研究一個XAUI的應(yīng)用示例。

SERDES參考時鐘源的設(shè)計挑戰(zhàn)

無論是在一個FPGA、SoC還是ASSP中，為任何基于SERDES的協(xié)議選擇一個參考時鐘源都是非常具有挑戰(zhàn)性的。器件成本、通過耦合高速信號使得噪聲最小化、超低抖動要求、由于信號長度匹配的要求而對走線的限制、考慮周全的電源供電設(shè)計（包括噪聲的考慮、元件布局上的限制、信號布線的要求和電源去耦）以及測試/生產(chǎn)要求，這些都必須考慮到并對各個因素的利弊進(jìn)行權(quán)衡分析。

傳統(tǒng)驅(qū)動SERDES參考時鐘的方法是使用一個真正的差分輸出振蕩器，特別選擇固定適合的頻率，來實現(xiàn)低抖動和較小的相位噪聲。該解決方案非常昂貴而且不夠靈活，無法在以后的設(shè)計中再次使用。固定的解決方案，就其本質(zhì)而言也限制了靈活性，為一種接口而設(shè)計的時鐘系統(tǒng)不能方便地在另一個新的設(shè)計中使用。相反，新的設(shè)計必須從頭開始，還可能需要使用不同的器件、不同的架構(gòu)或改變電路板原來的布局布線和走線規(guī)范。備貨、測試和生產(chǎn)也會更加復(fù)雜：固定頻率器件需要預(yù)備多個器件以符合不同標(biāo)準(zhǔn)，從而增加了生產(chǎn)費用。如果器件不能更改時鐘頻率或不能覆蓋整個時鐘輸出范圍，那么子系統(tǒng)的測試和調(diào)試會更加困難。

固定頻率、低抖動差分振蕩器采用的工藝通常不包括產(chǎn)生輸出頻率的內(nèi)部PLL電路，因而這些器件在頻域分析中會有噪聲邊帶和多重模式分布。同時尋找理想的終端和差分I/O邏輯標(biāo)準(zhǔn)并保持穩(wěn)定的電源供電也同樣存在挑戰(zhàn)。根據(jù)參數(shù)規(guī)格、數(shù)量、包裝和溫度范圍，這些振蕩器成本在12美元至50美元。

像萊迪思半導(dǎo)體公司的ispCLOCK 5406D這樣一種新興的可編程邏輯器件，提供了靈活、超低抖動和低成本的解決方案來驅(qū)動SERDES參考時鐘。這些器件和低成本的CMOS振蕩器能夠滿足FPGA、SoC和ASSP的SERDES參考時鐘所需的嚴(yán)格超低抖動要求。此外，這種增強型的應(yīng)用實現(xiàn)保持了器件低成本的同時還簡化了設(shè)計、測試和生產(chǎn)。由于這些器件是可編程的，因而可以僅通過對時鐘進(jìn)行不同功能的編程來實現(xiàn)設(shè)計重用。例如：輸出可以改為不同的標(biāo)準(zhǔn)——可能是從LVDS變?yōu)長VPECL——使用不同接口代替昂貴的晶振?；趇spClock的設(shè)計可以在多個未來的設(shè)計中使用，以縮短產(chǎn)品上市時間、降低庫存并簡化生產(chǎn)制造。甚至可以實現(xiàn)現(xiàn)場的功能更改，實現(xiàn)便捷的更改、升級并提高服務(wù)質(zhì)量。由于這些時鐘器件有多個帶有單獨相位偏移和時間偏移的輸出，因而可以“覆蓋”很廣的測試范圍，能更好地確定元件的容限值，實現(xiàn)更穩(wěn)定的系統(tǒng)。

一個采用低成本的振蕩器和一個ispClock5400D器件的系統(tǒng)示例如下面圖1所示。振蕩器通過使用一些電容和鐵氧體磁環(huán)來實現(xiàn)去耦并隔離電源噪聲。單端振蕩器輸出與分壓器一起為時鐘器件上的參考輸入提供一個差分信號。將參考信號布線盡可能的靠近，可以盡可能地減少共模噪聲，提高信號的完整性。

圖1：低成本振蕩器和ispClock5400D超低抖動參考時鐘。

使用ispClock5406D實現(xiàn)XAUI參考時鐘源

通常我們能在XAUI設(shè)計中找到SERDES應(yīng)用。XAUI SERDES的工作頻率為3.125GHz，并有0.35 UI（單位間隔）的嚴(yán)格的抖動要求，一個單位間隔為一個完整的波形周期。（3.125 GHz的周期是1/3.125GHz或320ps。那么320ps的0.35 UI就是120ps）。一種常見的建立片上3.125GHz SERDES時鐘的方法是利用一個精確的輸入?yún)⒖紩r鐘，時鐘頻率為1/10的SERDES速率或312.5MHz。該參考時鐘必須足夠精確，以保證SERDES設(shè)計能滿足XAUI規(guī)范的嚴(yán)格抖動要求。

isp5406D可通過基于GUI的設(shè)計軟件（萊迪思的PAC - Designer 5.2）輕松配置。配置ispClock5406D的GUI如圖2所示?？赏ㄟ^該器件的框圖定義不同的配置選項。用戶只需簡單地雙擊框圖中的功能，然后會打開一個對話框，顯示該功能的各種可編程選擇。例如，在右上角的對話框中，用戶可以輸入?yún)⒖紩r鐘頻率和反饋信號源。

圖2：PAC-Designer 5.2中顯示的萊迪思ispClock5406D框圖。