LMK3C0105：無參考5-LVCMOS輸出可編程BAW時(shí)鐘發(fā)生器的全面解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，時(shí)鐘發(fā)生器是確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵組件之一。今天，我們將深入探討德州儀器（TI）的LMK3C0105無參考5-LVCMOS輸出可編程BAW時(shí)鐘發(fā)生器，詳細(xì)介紹其特性、應(yīng)用、規(guī)格以及使用過程中的注意事項(xiàng)。

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特性亮點(diǎn)

1. 集成與靈活性

LMK3C0105集成了BAW諧振器，無需外部參考，這大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。它支持1.8V/2.5V/3.3V的LVCMOS輸出，頻率范圍可達(dá)200MHz，并且通過雙分?jǐn)?shù)輸出分頻器（FODs），能夠產(chǎn)生多達(dá)三種不同的輸出頻率，范圍從2.5MHz到200MHz。例如，可以輕松實(shí)現(xiàn)OUTA/B/C/D/E = 25MHz，或者OUTA/B = 100MHz，OUTC/D = 50MHz，OUTE = 25MHz等多種組合。

2. 穩(wěn)定性與模式選擇

該時(shí)鐘發(fā)生器的總輸出頻率穩(wěn)定性高達(dá)±25ppm，確保了系統(tǒng)時(shí)鐘的準(zhǔn)確性。同時(shí)，它支持兩種功能模式：I2C或預(yù)編程OTP，用戶可以根據(jù)實(shí)際需求靈活選擇。此外，它還支持混合SSC和非SSC輸出，并且可編程SSC調(diào)制深度，預(yù)編程選項(xiàng)包括–0.1%、–0.25%、–0.3%和–0.5%的下擴(kuò)頻，寄存器可編程范圍為–0.1%到–3%的下擴(kuò)頻或±0.05%到±1.5%的中心擴(kuò)頻。

3. 快速啟動(dòng)與低輸出偏斜

LMK3C0105的啟動(dòng)時(shí)間小于5ms，能夠快速為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)。輸出偏斜小于50ps（來自同一FOD的輸出），保證了多個(gè)時(shí)鐘輸出之間的同步性。此外，它還具備故障安全輸入和VDD引腳，提高了系統(tǒng)的可靠性。

應(yīng)用場(chǎng)景

1. 晶體替代

LMK3C0105可以替代多達(dá)5個(gè)單端時(shí)鐘的晶體，為系統(tǒng)提供更加穩(wěn)定和靈活的時(shí)鐘解決方案。

2. 參考時(shí)鐘

在ASIC、FPGA、MCU等設(shè)備中，它可以作為參考時(shí)鐘，確保這些設(shè)備的正常運(yùn)行。

3. 工業(yè)通信與網(wǎng)絡(luò)

在工業(yè)通信和有線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，LMK3C0105能夠滿足對(duì)時(shí)鐘穩(wěn)定性和靈活性的要求，為數(shù)據(jù)傳輸和處理提供可靠的時(shí)鐘支持。

規(guī)格參數(shù)

1. 絕對(duì)最大額定值

了解設(shè)備的絕對(duì)最大額定值是確保其安全運(yùn)行的關(guān)鍵。LMK3C0105的VDD設(shè)備電源電壓范圍為–0.3V到3.9V，VDDO輸出電源電壓范圍相同，VIN邏輯輸入電壓在VDD = VDDO = –0.3V到3.465V時(shí)為–0.3V到3.465V。此外，器件的結(jié)溫最大為105°C。需要注意的是，操作超出絕對(duì)最大額定值可能會(huì)導(dǎo)致器件永久性損壞。

2. ESD額定值

該器件的人體模型（HBM）ESD額定值為±2000V，帶電設(shè)備模型（CDM）ESD額定值為±500V。遵循JEDEC文檔的相關(guān)規(guī)定，確保在標(biāo)準(zhǔn)ESD控制過程下進(jìn)行安全制造。

3. 推薦工作條件

推薦的工作條件為VDD = VDDO = 1.8V、2.5V或3.3V±5%，環(huán)境溫度范圍為–40°C到85°C，結(jié)溫范圍為–40°C到105°C。電源斜坡時(shí)間在VDD = 1.8V時(shí)為0.05ms到5ms，VDD = 2.5V或3.3V時(shí)同樣為0.05ms到5ms。

4. 電氣特性

LMK3C0105的電氣特性涵蓋了頻率穩(wěn)定性、LVCMOS時(shí)鐘輸出特性、SSC特性、時(shí)序特性和功耗特性等多個(gè)方面。例如，總頻率穩(wěn)定性為±25ppm，輸出頻率范圍為2.5MHz到200MHz，輸出擺率、輸出高電壓、輸出低電壓等參數(shù)也都有明確的規(guī)定。在功耗方面，不同的工作模式和輸出頻率下，器件的功耗也有所不同。

詳細(xì)描述

1. 概述

LMK3C0105主要用于LVCMOS時(shí)鐘生成，支持有或無擴(kuò)頻時(shí)鐘（SSC）功能。它集成了BAW諧振器，無需外部晶體或時(shí)鐘參考。默認(rèn)輸出配置為四個(gè)25MHz同相LVCMOS時(shí)鐘加一個(gè)額外的25MHz LVCMOS時(shí)鐘，啟動(dòng)時(shí)全部啟用。該器件支持通過REF_CTRL引腳在啟動(dòng)時(shí)選擇一次性編程（OTP）模式或I2C模式。

2. 功能框圖

從功能框圖可以看出，LMK3C0105的BAW頻率（標(biāo)稱2467MHz）通過兩個(gè)分?jǐn)?shù)輸出分頻器（FODs）進(jìn)行分頻，每個(gè)FOD能夠產(chǎn)生100MHz到400MHz的頻率。每個(gè)FOD可以路由到兩個(gè)通道分頻器之一，將FOD頻率進(jìn)一步分頻，產(chǎn)生2.5MHz到200MHz的頻率。此外，REF_CTRL引腳可以選擇性地生成一個(gè)與VDD電壓對(duì)應(yīng)的額外LVCMOS時(shí)鐘。

3. 特性描述

3.1 設(shè)備配置控制

LMK3C0105的配置控制通過OTP_SEL和I2C_ADDR等引腳實(shí)現(xiàn)。在OTP模式下，通過OTP_SEL0和OTP_SEL1引腳選擇四個(gè)OTP頁面之一；在I2C模式下，通過I2C_ADDR引腳設(shè)置I2C地址。此外，通過設(shè)置PDN位可以將設(shè)備置于低功耗狀態(tài)，清除PDN位則可以使設(shè)備退出低功耗狀態(tài)。

3.2 分?jǐn)?shù)輸出分頻器

該器件包含兩個(gè)分?jǐn)?shù)輸出分頻器FOD0和FOD1。FOD0支持?jǐn)U頻時(shí)鐘（SSC），而FOD1不支持。根據(jù)輸出時(shí)鐘的需求，可以選擇使用一個(gè)或兩個(gè)FOD。TI建議在只需要一個(gè)FOD的應(yīng)用中，默認(rèn)使用FOD0；如果兩個(gè)FOD都使用，建議FOD0與OUTA/OUTB配合，F(xiàn)OD1與OUTC/OUTD配合。

3.3 擴(kuò)頻時(shí)鐘（SSC）

FOD0支持SSC，通過設(shè)置SSC_EN位可以啟用或禁用SSC。SSC_MOD_TYPE位可以選擇下擴(kuò)頻調(diào)制或中心擴(kuò)頻調(diào)制。LMK3C0105提供了四個(gè)內(nèi)置的下擴(kuò)頻SSC選項(xiàng)，以及一個(gè)自定義SSC選項(xiàng)。在配置SSC時(shí)，需要注意相關(guān)的寄存器設(shè)置和計(jì)算方法。

3.4 輸出行為

LMK3C0105支持LVCMOS輸出，VDDO可以是1.8V、2.5V或3.3V（如果VDD是3.3V），否則VDDO必須與VDD相同。OUTA和OUTB，或OUTC和OUTD可以同相、反相，或單獨(dú)啟用或禁用。REF_CTRL引腳在啟動(dòng)后默認(rèn)輸出LVCMOS REF_CLK，也可以禁用或作為“時(shí)鐘就緒”信號(hào)。

3.5 輸出使能

該器件支持同步輸出使能（OE），確保在OE信號(hào)有效或無效時(shí)輸出無毛刺。OE引腳默認(rèn)低電平有效，通過OTP_PIN_POLARITY位可以改變OE引腳的極性。此外，I2C_ADDR引腳可以重新配置為第二個(gè)輸出使能引腳。

4. 編程

4.1 I2C串行接口

LMK3C0105的I2C端口作為外設(shè)設(shè)備，支持100kHz標(biāo)準(zhǔn)模式和400kHz快速模式操作。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，需要遵循特定的時(shí)序要求，包括起始條件、停止條件、數(shù)據(jù)穩(wěn)定時(shí)間等。通過I2C接口，可以對(duì)設(shè)備的寄存器進(jìn)行讀寫操作。

4.2 一次性編程序列

解鎖上寄存器空間需要將0x5B寫入U(xiǎn)NLOCK_PROTECTED_REG（R12[7:0]），同時(shí)保持I2C_ADDR不變。根據(jù)設(shè)備啟動(dòng)時(shí)加載的EFUSE頁面，有六個(gè)字段可以有不同的值，其他字段在所有四個(gè)EFUSE頁面中保持相同。

應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

1. 應(yīng)用信息

LMK3C0105可以用于替代晶體和晶體振蕩器，為千兆以太網(wǎng)交換機(jī)等應(yīng)用提供參考時(shí)鐘。在典型的千兆以太網(wǎng)交換機(jī)應(yīng)用中，時(shí)鐘需要在請(qǐng)求時(shí)立即可用，無需額外的設(shè)備級(jí)編程。

2. 設(shè)計(jì)要求與詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

2.1 頻率規(guī)劃

首先，需要確定生成所需輸出頻率所需的FOD頻率。如果兩個(gè)輸出頻率相同且SSC設(shè)置相同，則只需要一個(gè)FOD；如果兩個(gè)輸出頻率不同但SSC設(shè)置相同，輸出可以共享一個(gè)FOD以節(jié)省電流；如果一個(gè)輸出需要SSC而另一個(gè)不需要，則SSC輸出必須使用FOD0，非SSC輸出使用FOD1。此外，還需要考慮數(shù)字時(shí)鐘分頻器的設(shè)置，確保數(shù)字時(shí)鐘頻率接近50MHz。

2.2 設(shè)置輸出格式

根據(jù)系統(tǒng)中所需的時(shí)鐘數(shù)量，確定所需的輸出格式。對(duì)于晶體替代，通常需要24MHz、25MHz、27MHz或50MHz的LVCMOS時(shí)鐘。OUTA和OUTB，或OUTC和OUTD可以同相、反相，或單獨(dú)啟用或禁用。

2.3 輸出使能行為

OE引腳默認(rèn)低電平有效，通過設(shè)置OE_PIN_POLARITY位可以改變其極性。需要根據(jù)應(yīng)用需求確定輸出禁用時(shí)設(shè)備是否進(jìn)入低功耗模式。

3. 功率供應(yīng)建議

3.1 上電時(shí)序

LMK3C0105提供多個(gè)電源引腳，每個(gè)電源支持1.8V、2.5V或3.3V。內(nèi)部低壓差穩(wěn)壓器（LDO）為內(nèi)部模塊供電。如果某個(gè)輸出未使用，應(yīng)將相應(yīng)的VDDO_x軌連接到VDD。如果VDD和VDDO_x軌電壓相同，建議直接連接；如果不同，VDD必須先斜坡上升，VDDO_x在不超過5ms后跟隨。

3.2 去耦電源輸入

不要將VDD和VDDO引腳接地，使用單獨(dú)的鐵氧體磁珠隔離VDD和VDDO電源。對(duì)于每個(gè)電源電壓引腳，應(yīng)在引腳附近放置0.1μF或1μF的電容器。

4. 布局

4.1 布局指南

在布局時(shí)，應(yīng)使用GND屏蔽隔離輸出，將所有輸出作為差分對(duì)布線。避免在扇入和扇出區(qū)域出現(xiàn)阻抗突變。使用五個(gè)過孔將散熱墊連接到實(shí)心GND平面，優(yōu)先選擇全通式過孔。將小電容值的去耦電容器放置在靠近電源引腳的位置。

4.2 布局示例

提供了PCB布局的示例，包括頂層和底層的布局圖，展示了熱設(shè)計(jì)實(shí)踐和設(shè)備DAP與PCB之間的低電感接地連接的應(yīng)用。

總結(jié)

LMK3C0105無參考5-LVCMOS輸出可編程BAW時(shí)鐘發(fā)生器以其集成度高、靈活性強(qiáng)、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，為電子工程師提供了一個(gè)優(yōu)秀的時(shí)鐘解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體需求進(jìn)行合理的配置和設(shè)計(jì)，同時(shí)注意功率供應(yīng)、布局等方面的要求，以確保設(shè)備的正常運(yùn)行和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。希望通過本文的介紹，能夠幫助大家更好地了解和使用LMK3C0105。你在使用LMK3C0105的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。