在现代高速数字系统中，无论是 FPGA、SoC、通信系统、服务器主板，还是 SerDes 结构的高速互连，时钟（Clock）都是系统的“心跳”。一个系统能否正常工作，很大程度取决于时钟设计是否正确、抖动（Jitter）是否可控、同步机制是否可靠。

为了避免数据错误、界限采样失败、链路掉速甚至系统崩溃，设计必须确保 低抖动（Low Jitter）、低偏移（Low Skew）、高同步性（System Synchronization）。

本文将从时钟架构规划、抖动产生原因、关键电路设计、布局布线策略、测试与验证等方面，系统性解析如何构建一个稳定可靠的时钟系统。

一、时钟系统在电子设计中的关键作用

一个高质量的时钟需要满足以下要求：

1. 频率准确（Accuracy）

系统逻辑依赖确定的时序窗口，频率漂移会直接造成逻辑异常。

2. 相位一致（Phase Alignment）

对 DDR、PCIe、Ethernet 等高速接口至关重要。

3. 抖动极低（Low Jitter）

抖动过大时，会导致：

• 数据眼图缩小

• 建立、保持时间不满足

• SerDes 位错误率（BER）升高

4. 多通道同步（Multi-Channel Sync）

多个时钟域需实现确定性的同步关系，否则导致跨时钟域问题。

二、抖动（Jitter）的分类与形成原因

抖动是时钟边沿在时间轴上的不确定变化，大致分为三类：

1. 周期抖动（Period Jitter）

相邻周期的偏差。影响 FPGA 内部逻辑采样稳定性。

原因：

• PLL/VCO 噪声

• 电源噪声

• 温度变化

2. 相位抖动（Phase Jitter）

在特定频率范围内时钟相位的变化，属于频域特性，对高速接口最敏感。

影响：

• PCIe、SATA、USB3 的 PLL 锁相可靠性

• SerDes 眼图开度

3. 时序抖动（Time Interval Error，TIE）

相对于理想时钟的累积偏差。

常见于：

• 多级时钟链路

• 数字时钟树（Clock Tree）分配不均衡

三、常见时钟架构及稳定性策略

1. 时钟源：晶振、XO、TCXO、OCXO 选择

如果系统对同步要求极高（如 5G 通信、光通信），建议选用 TCXO或 OCXO。

2. 时钟合成器 / PLL 设计关键点

典型时钟模块包括：

• PLL 锁相环

• VCO

• 分频、倍频电路

• 缓冲驱动器

设计要点：

1. PLL 必须具备：

• 低相位噪声

• 宽锁相范围

• 快速锁定时间

2. 选择 低抖动 Clock Buffer（如 LVDS/CMOS fanout buffer）

3. 尽量避免多级级联 PLL → 会累积相位噪声

3. 时钟树（Clock Tree）拓扑结构规划

时钟分配一般采用：

① 星型拓扑（Star）

最小偏移，最常用于高速系统。

② H-tree 对称拓扑

用于芯片内部，全等路径保证 skew 最小。

③ 菊链（Daisy Chain）

简单但易积累 skew，不适合高频系统。

建议：

• FPGA、DDR、PCIe → 采用星型或对称结构

• MCU、通用逻辑 → 可用菊链，但需小心累积偏移

四、如何控制和降低时钟抖动？（核心部分）

抖动控制主要从以下几个工程方向展开：

1. 电源完整性（PI）设计：抖动控制的第一要素

时钟器件对电源噪声极敏感。

关键措施：

• 独立 LDO 给时钟电路供电

• 在每个时钟芯片使用：

• 0.1 µF + 1 µF + 10 µF 去耦

• 电源层保持完整、阻抗连续

• 优先采用 低噪声 LDO 而非 DC-DC

2. PCB布局布线优化（Layout & Routing）

以下为实际工程中最关键的抖动抑制措施：

① 时钟走线严格控制长度

• 同步时钟差分对：长度差 < 5 mil（高速接口要求更严格）

• 对称走线，避免 45° 转角

② 差分阻抗控制 100Ω / 85Ω（依据接口）

如：

• PCIe：85Ω

• Ethernet：100Ω

• LVDS：100Ω

③ 避免跨分割（Avoid Split Crossing）

时钟线绝不能跨越电源平面分隔，否则会造成 EMI 反射 → 抖动暴增。

④ 保持时钟远离噪声源

• DC-DC 电感

• 高速开关器件

• 大电流驱动电路

3. 缓冲与整形技术

在长距离布线、高风扇输出时需要：

• Clock Buffer（低抖动）

• LVDS/LP-HCSL 驱动

• 终端匹配电阻（通常 100Ω）

4. 温度补偿与频率校准

对于室外设备（5G 小基站、车载系统）必须考虑：

措施

• 采用 TCXO / OCXO

• 软件校准频率偏移（PLL 数字调节）

• 温度传感器补偿

五、跨时钟域（CDC）同步策略

在多时钟域系统中，跨域同步是保证系统稳定的关键。

常见同步策略如下：

1. 单比特信号同步：双触发器（Double FF）

FF1 → FF2（目标时钟）

防止亚稳态。

2. 多比特数据同步：FIFO 或握手机制

• Async FIFO（常见于 FPGA）

• 请求/应答握手协议（Req / Ack）

3. 高速数据同步：SerDes 内部 CDR（Clock Data Recovery）

常见场景：

• PCIe

• SATA

• DisplayPort

• Ethernet

CDR 用专用硬件自动恢复时钟，应避免人为干预。

六、时钟抖动的测试与验证方法

常用测试设备与指标：

1. 示波器（Oscilloscope）

• TIE（时间间隔误差）

• Period Jitter

• Cycle-to-Cycle Jitter

• Eye Diagram（眼图）

2. 相位噪声分析仪（Phase Noise Analyzer）

频域角度分析 PLL 噪声特性。

3. BERT（Bit Error Rate Tester）

用于高速接口验证，如：

• 10G/25G/100G SerDes

• PCIe Gen3/Gen4 链路

七、工程总结：构建高同步性时钟系统的黄金原则

以下是工程实践中最重要的总结：

1. 选择高品质时钟源（XO/TCXO/OCXO）

稳定性和相位噪声是核心。

2. 尽量减少多级 PLL 级联

累积噪声不可逆。

3. 时钟走线要短、直、对称，避免跨分割

布局布线对抖动影响最大。

4. 使用独立低噪声电源

抖动 40% 以上来自电源噪声。

5. 使用差分时钟（LVDS/HCSL）优于 CMOS

抗干扰强、抖动低。

6. 跨时钟域必须使用同步结构

防止亚稳态和数据错乱。

7. 对关键接口进行眼图、抖动频谱测试

确保系统在量产环境下稳定。

八、结语

在高速电子系统中，时钟是整个架构的基础，任何细微的抖动、偏移都会被迅速放大并影响系统稳定性。

通过合理的架构规划、优质的时钟源、严谨的 PCB 布局、电源完整性优化以及严格的测试验证，可以构建一个 稳定、低抖动、可量产、高可靠 的时钟系统。