【博主簡(jiǎn)介】本人“愛(ài)在七夕時(shí)”，系一名半導(dǎo)體行業(yè)質(zhì)量管理從業(yè)者，旨在業(yè)余時(shí)間不定期的分享半導(dǎo)體行業(yè)中的：產(chǎn)品質(zhì)量、失效分析、可靠性分析和產(chǎn)品基礎(chǔ)應(yīng)用等相關(guān)知識(shí)。常言：真知不問(wèn)出處，所分享的內(nèi)容如有雷同或是不當(dāng)之處，還請(qǐng)大家海涵。當(dāng)前在各網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上均以此昵稱為ID跟大家一起交流學(xué)習(xí)！

年前，因?yàn)橐粏慰蛻敉对V，引發(fā)出了關(guān)于時(shí)鐘buffer芯片客戶端拓?fù)浠A(chǔ)應(yīng)用的一些相關(guān)知識(shí)。因此，本章節(jié)就此類芯片，跟大家分享一下時(shí)鐘Buffer芯片的定義、工作原理、應(yīng)用領(lǐng)域、特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)等內(nèi)容。

在分享時(shí)鐘buffer芯片前，我們先梳理一下“時(shí)鐘”的起源和發(fā)展史，這樣有利于解除大家心中疑惑。

一、時(shí)鐘的起源

時(shí)鐘起源于巴比倫，六千年前的巴比倫人制作出了日晷，通過(guò)太陽(yáng)影子判斷時(shí)間。后來(lái)為了彌補(bǔ)日晷在無(wú)光環(huán)境下的不足，設(shè)計(jì)出了滴漏，用水流速度判斷時(shí)間。1283年，英格蘭出現(xiàn)了首個(gè)機(jī)械時(shí)鐘，并逐漸設(shè)計(jì)出鐘樓、鐘表等計(jì)時(shí)工具。

二、時(shí)鐘的發(fā)展歷史

時(shí)鐘的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段：日晷計(jì)時(shí)、齒輪組成計(jì)時(shí)和電子芯片計(jì)時(shí)?；仡櫲祟惪茖W(xué)發(fā)展史，計(jì)時(shí)器的發(fā)展歷史是與整個(gè)人類文明史同步的。對(duì)于生命個(gè)體而言，時(shí)間長(zhǎng)河托起生命之帆。正是因?yàn)橛辛藭r(shí)間測(cè)量，人類得以準(zhǔn)確記錄下自己的生命足跡。

將石英晶體運(yùn)用在鐘表上是一種現(xiàn)代的發(fā)明，世界上第一個(gè)石英表是瑞士在1967年7月制成的。利用石英晶體會(huì)產(chǎn)生規(guī)律的振動(dòng)，生成電子產(chǎn)品所需的時(shí)鐘信號(hào)，推動(dòng)著科技的高速發(fā)展。

進(jìn)入二十一世紀(jì)，萬(wàn)物互聯(lián)已經(jīng)深入到通信、AIoT、汽車、消費(fèi)、工業(yè)、醫(yī)療等眾多領(lǐng)域。隨之而來(lái)，不同應(yīng)用場(chǎng)景下設(shè)備之間如何通過(guò)高精度時(shí)鐘來(lái)同步協(xié)調(diào)，時(shí)鐘產(chǎn)品也開(kāi)始倍受廣泛關(guān)注，時(shí)鐘產(chǎn)品進(jìn)入蓬勃發(fā)展時(shí)期，產(chǎn)品種類也越來(lái)越多。

常用的時(shí)鐘產(chǎn)品主要分六個(gè)大類：振蕩器、時(shí)鐘發(fā)生器、時(shí)鐘緩沖器、抖動(dòng)衰減產(chǎn)品、時(shí)鐘同步產(chǎn)品和其它簡(jiǎn)單的時(shí)鐘器件。

三、時(shí)鐘buffer芯片的定義

講到時(shí)鐘buffer芯片，先解釋一下這其中的“buffer”，即：緩沖器的意思。而時(shí)鐘緩沖器就是同行中常講的：Clock Buffer，主要分為扇出緩沖器和零延遲緩沖器。時(shí)鐘Buffer本身是無(wú)法產(chǎn)生頻率源的，它的主要作用是將晶體或晶振產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行復(fù)制、格式轉(zhuǎn)換及電平轉(zhuǎn)換。選對(duì)合適的時(shí)鐘Buffer，可以減少晶體或晶振使用，降低系統(tǒng)成本。

其實(shí)，講到時(shí)鐘緩沖器（Clock Buffer），我們就有必要還要認(rèn)識(shí)一下時(shí)鐘發(fā)生器（Clock Generator），它是用來(lái)產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)的器件。時(shí)鐘發(fā)生器常用于數(shù)字產(chǎn)品中，所有的組件根據(jù)時(shí)鐘發(fā)生器產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)來(lái)同步運(yùn)算。數(shù)字產(chǎn)品必須有時(shí)鐘的控制才能精確處理數(shù)字信號(hào)。若時(shí)鐘不穩(wěn)定，輕則造成數(shù)字信號(hào)傳送上的錯(cuò)誤，重則導(dǎo)致數(shù)字設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)作。

至于這兩者具體的作用和應(yīng)用情況，有興趣的朋友可以自行查閱相關(guān)資料，在此我就不過(guò)多贅述了。

四、時(shí)鐘buffer芯片的工作原理

時(shí)鐘buffer芯片的工作原理主要有以下三個(gè)：

1、信號(hào)放大

時(shí)鐘Buffer芯片接收輸入的時(shí)鐘信號(hào)，并將其放大到足夠的電壓幅度，以確保信號(hào)質(zhì)量和穩(wěn)定性。

2、信號(hào)恢復(fù)

在信號(hào)傳輸中可能因延遲或噪聲而導(dǎo)致信號(hào)失真，時(shí)鐘Buffer芯片可恢復(fù)信號(hào)的波形和周期，確保信號(hào)的準(zhǔn)確性。

3、信號(hào)分配

時(shí)鐘Buffer芯片還可以將放大且恢復(fù)后的時(shí)鐘信號(hào)分配給多個(gè)輸出端口，保證各個(gè)部件同時(shí)接收到同步的時(shí)鐘信號(hào)。

五、扇出型時(shí)鐘buffer芯片的選型

基于非PLL的扇出型緩沖器是一種將一路時(shí)鐘源信號(hào)通過(guò)頻率復(fù)制生成多路時(shí)鐘信號(hào)的器件，通常時(shí)鐘緩沖器還兼具有時(shí)鐘分配，格式轉(zhuǎn)換和電平轉(zhuǎn)換的功能。

對(duì)于一個(gè)大型電子系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，需要很多不同頻點(diǎn)和同頻點(diǎn)的時(shí)鐘來(lái)保障系統(tǒng)的精準(zhǔn)運(yùn)行。但是，如果每個(gè)節(jié)點(diǎn)都選用晶振或晶體，則會(huì)增加PCB園板子尺寸和BOM成本。而選擇集成度更高的時(shí)鐘芯片和時(shí)鐘緩沖器則可以有效降低系統(tǒng)成本，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，同時(shí)也能為系統(tǒng)多個(gè)組件提供多路參考時(shí)鐘。

那么，時(shí)鐘緩沖器究竟應(yīng)該怎么選，才能更適合自己的使用場(chǎng)景呢?可以從下面這幾個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)來(lái)做選擇：

1、附加(額外)相位抖動(dòng)

時(shí)鐘源經(jīng)過(guò)緩沖器后，緩沖器本身的抖動(dòng)會(huì)增加到時(shí)鐘的內(nèi)在抖動(dòng)上，從而惡化整個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘的相位噪聲，這個(gè)參數(shù)定義為緩沖器的額外抖動(dòng)或者在指定頻帶范圍內(nèi)的額外相位抖動(dòng)。

時(shí)鐘緩沖Q器本身不產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，除非有輸入信號(hào)，否則不能測(cè)量相位抖動(dòng)。為了定性分析緩沖器對(duì)于相位抖動(dòng)的影響，必須首先測(cè)量時(shí)鐘源的相位抖動(dòng)，然后是時(shí)鐘源和緩沖器一起工作時(shí)的相位抖動(dòng)，緩沖器的相位抖動(dòng)可以通過(guò)公式計(jì)算出來(lái)。

在計(jì)算相位抖動(dòng)時(shí)通常做的假設(shè)是時(shí)鐘源和緩沖器噪聲不相關(guān)，而且由純粹的隨機(jī)抖動(dòng)組成。

當(dāng)然，附加相位抖動(dòng)還依賴于輸入時(shí)鐘信號(hào)的信號(hào)轉(zhuǎn)換率(slew rate)。較低的slew rat通常導(dǎo)致較高的附件抖動(dòng)。這也是設(shè)計(jì)人員需要考慮的。

2、輸入時(shí)鐘參數(shù)

不同的電子系統(tǒng)的時(shí)鐘源是不一樣的，有晶體、振蕩器或者外部時(shí)鐘，格式也不一樣，有單端和差分。

有些時(shí)鐘緩沖器可以支持3種不同的輸入，涵蓋了目前市場(chǎng)上普遍的輸入方式，可以滿足客戶日常使用。

3、輸出時(shí)鐘參數(shù)(包括輸出路數(shù)、輸出電壓、輸出格式等)

隨著電子產(chǎn)品的功能的增加，對(duì)芯片功能和產(chǎn)品功耗的要求也越來(lái)越高，針對(duì)時(shí)鐘bufer口輸出電壓的要求也越來(lái)越多。

有些時(shí)鐘bufer可以支持多種電壓輸出，單端輸出電壓1.5v/1.8v/2.5v/3.3v;差分輸出電壓2.5v/3.3v。最多可以滿足10路輸出，能夠適配于不同的客戶需求。

當(dāng)然，時(shí)鐘緩沖器的參數(shù)還有:輸出之間的指定偏斜;電源噪聲抑制比(PSRR)等。

因此，要想選到更好的時(shí)鐘buffer，可以從使用場(chǎng)景的數(shù)據(jù)指標(biāo)要求入手，選擇適配這些指標(biāo)的時(shí)鐘Buffer即可。

六、時(shí)鐘buffer芯片與時(shí)鐘芯片的區(qū)別

時(shí)鐘緩沖芯片（Clock Buffer Chip）和時(shí)鐘芯片（Clock Chip）是兩種常見(jiàn)但功能不同的集成電路。盡管它們都涉及時(shí)鐘信號(hào)處理，但在設(shè)計(jì)和應(yīng)用中有著明顯的區(qū)別。

1、時(shí)鐘緩沖芯片

相對(duì)而言，時(shí)鐘緩沖芯片則更專注于時(shí)鐘信號(hào)的分配和緩沖放大。它們接收來(lái)自時(shí)鐘源或時(shí)鐘芯片的信號(hào)，并將其放大、處理后再分配給系統(tǒng)內(nèi)部的各個(gè)模塊，以確保時(shí)鐘信號(hào)的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

時(shí)鐘緩沖芯片的特點(diǎn)包括：

a. 主要用于時(shí)鐘信號(hào)的分配、驅(qū)動(dòng)和放大，以克服時(shí)鐘信號(hào)在傳輸中的衰減和延遲；

b. 通常包含多個(gè)時(shí)鐘輸出通道，每個(gè)通道可以獨(dú)立地配置為不同的頻率、相位或占空比；

c. 能夠提供低時(shí)延、低抖動(dòng)的時(shí)鐘分配解決方案；

d. 經(jīng)常用于大型系統(tǒng)或高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)中，以確保各個(gè)模塊能夠按時(shí)獲得正確的時(shí)鐘信號(hào)。

2、時(shí)鐘芯片

時(shí)鐘芯片通常被用于產(chǎn)生各種頻率和相位的時(shí)鐘信號(hào)，用來(lái)同步數(shù)字系統(tǒng)中的操作。這些芯片通常包括PLL（鎖相環(huán)）模塊、分頻器和其他時(shí)鐘發(fā)生器，以確保設(shè)備內(nèi)部各部件之間的同步性。

時(shí)鐘芯片的關(guān)鍵特點(diǎn)包括：

a. 提供穩(wěn)定、精確的時(shí)鐘信號(hào)；

b. 具有可編程性，能夠根據(jù)用戶需求配置輸出時(shí)鐘的頻率和相位；

c. 通常集成了各種時(shí)鐘管理功能，如頻率調(diào)整、時(shí)序控制等；

d. 用于主控芯片或系統(tǒng)級(jí)集成電路（SoC）中，以便整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)各部件同步。

總之，時(shí)鐘芯片主要是用于生成、管理時(shí)鐘信號(hào)，保證整個(gè)系統(tǒng)在同步工作；而時(shí)鐘緩沖芯片則是專注于時(shí)鐘信號(hào)的分配和驅(qū)動(dòng)，確保時(shí)鐘信號(hào)在長(zhǎng)距離傳輸時(shí)質(zhì)量穩(wěn)定。理解它們各自的功能和特點(diǎn)，對(duì)于電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)者和工程師來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

七、時(shí)鐘buffer芯片的主要應(yīng)用

1、時(shí)鐘信號(hào)復(fù)制

時(shí)鐘信號(hào)復(fù)制簡(jiǎn)單理解就是將一路時(shí)鐘源信號(hào)通過(guò)頻率復(fù)制生成多路時(shí)鐘信號(hào)。

從下圖中可以看到1路時(shí)鐘信號(hào)輸入可以分出5路相同的時(shí)鐘信號(hào)輸出，并且可以通過(guò)OE管腳控制信號(hào)輸出與否。

2、時(shí)鐘信號(hào)格式轉(zhuǎn)換

除了時(shí)鐘信號(hào)復(fù)制外，現(xiàn)在很多時(shí)鐘Buffer也同時(shí)具有時(shí)鐘信號(hào)格式轉(zhuǎn)換功能，將一種格式的輸入時(shí)鐘信號(hào)轉(zhuǎn)換成另一種格式輸出。

下圖是這種Buffer的功能框圖，輸入可以選擇3路中的任意一路，其中輸入口0和1支持的信號(hào)格式可以是LVPECL、LVDS、HCSL、SSTL、LVCMOS、LVTTL中任意一種，而XTAL輸入口則支持無(wú)源晶體輸入。差分輸出時(shí)鐘類型可以通過(guò)OUT_MODEA【1:0】及OUT_MODEB【1:0】分別單獨(dú)配置，選擇LVPECL、LVDS、HCSL或高阻狀態(tài)。

在服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備等應(yīng)用中，像CPU、PCIe交換芯片、PCIe擴(kuò)展卡、Wifi控制器、GE口等很多芯片之間都是通過(guò)PCIe協(xié)議來(lái)傳輸高速數(shù)據(jù)，系統(tǒng)中需要多個(gè)HCSL格式的100M參考時(shí)鐘，而市場(chǎng)上沒(méi)有直接輸出HCSL信號(hào)的晶振，這時(shí)可以用100M LVDS或LVPECL輸出的晶振，通過(guò)Buffer轉(zhuǎn)換為100M HCSL時(shí)鐘信號(hào)格式來(lái)滿足應(yīng)用。

3、時(shí)鐘信號(hào)電平轉(zhuǎn)換

在下圖中，大家看到有VDD的多個(gè)電源PIN，這里的VDD_CORE是核心電壓，也是輸入時(shí)鐘信號(hào)的電壓，而輸出信號(hào)電壓可以不同于VDD_CORE，比如VDD_CORE是3.3V，而VDD_IO可以選擇3.3V、2.5V、1.8V等多種電壓輸出，即時(shí)鐘信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換。

八、時(shí)鐘buffer芯片的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

時(shí)鐘buffer芯片的核心特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)結(jié)合性能、兼容性、功耗及應(yīng)用場(chǎng)景4方面可歸納到以下5點(diǎn)：

1、高驅(qū)動(dòng)能力與寬頻支持

采用差分輸入/輸出設(shè)計(jì)，可驅(qū)動(dòng)1MHz~350MHz頻率，滿足多設(shè)備同步需求，另外，還可通過(guò)寬長(zhǎng)比優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)，提升信號(hào)擺幅和上升沿速度，增強(qiáng)后端負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力。

2、低功耗設(shè)計(jì)與小封裝

設(shè)計(jì)上注重支持低功耗HCSL和LVDS接口，降低系統(tǒng)整體能耗，符合現(xiàn)代電子設(shè)備對(duì)節(jié)能環(huán)保的需求，還采用小型QFN32封裝（5mm×5mm），適合高密度集成場(chǎng)景。

3、低抖動(dòng)輸出

PCIe 5.0規(guī)范下附加抖動(dòng)僅6fs，滿足高速設(shè)備對(duì)時(shí)序的嚴(yán)格要求，且支持PCIe Gen 1/2/3/4/5全代兼容，確保向后兼容性。

4、靈活控制與兼容性

支持通過(guò)I2C或獨(dú)立引腳控制輸出引腳關(guān)斷，增強(qiáng)系統(tǒng)靈活性，同時(shí)還兼容PCIe標(biāo)準(zhǔn)，簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)并降低布線復(fù)雜性。

5、電磁兼容性與電壓范圍

支持SSC（靜電放電保護(hù)）以降低EMI，保障信號(hào)純凈度，且工作電壓為2.5~3.3V，適應(yīng)不同供電環(huán)境。

因此，時(shí)鐘buffer芯片通過(guò)低抖動(dòng)、高驅(qū)動(dòng)能力、低功耗及廣泛兼容性，成為高性能計(jì)算、高速存儲(chǔ)設(shè)備等場(chǎng)景中保障時(shí)序一致性的關(guān)鍵組件。

九、時(shí)鐘buffer芯片的應(yīng)用領(lǐng)域

時(shí)鐘buffer芯片當(dāng)前均有應(yīng)用于服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備、PCIe卡、以太網(wǎng)線卡、射頻拉遠(yuǎn)單元和基站單元、無(wú)線和有線基礎(chǔ)設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)通信、醫(yī)療成像、便攜式測(cè)試和測(cè)量等領(lǐng)域。具體來(lái)講，在以下四個(gè)高新領(lǐng)域應(yīng)用最為頻繁和重要：

1、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

在計(jì)算機(jī)的主板、處理器、存儲(chǔ)器等部件中廣泛應(yīng)用，確保各個(gè)組件之間的時(shí)序一致性，提高系統(tǒng)性能。

2、通信設(shè)備

在通信基站、網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備等通信系統(tǒng)中使用，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐叫院头€(wěn)定性，提高通信質(zhì)量。

3、工業(yè)控制

用于工控系統(tǒng)、自動(dòng)化設(shè)備等領(lǐng)域，確保各個(gè)部件的協(xié)調(diào)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)高效的生產(chǎn)控制。

4、消費(fèi)電子產(chǎn)品

時(shí)鐘Buffer芯片用于數(shù)字電視、音頻處理器、攝像機(jī)等設(shè)備中，提供高質(zhì)量的音視頻信號(hào)。

十、寫(xiě)在最后面的話

時(shí)鐘Buffer芯片通常具有低功耗、小封裝、高穩(wěn)定性和高頻率等特點(diǎn)。隨著數(shù)字電子設(shè)備的不斷發(fā)展和復(fù)雜性的增加，對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的要求也越來(lái)越高，時(shí)鐘Buffer芯片的功能和性能也得到了不斷的提升。它在現(xiàn)代電子設(shè)備中的重要性不可忽視，對(duì)設(shè)備的正常運(yùn)行和性能提升起著關(guān)鍵作用。

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審核編輯 黃宇