差分晶振在高速 FPGA 上的应用

HCI杭晶电子晶振

差分晶振在高速 FPGA 设计中具有非常重要的应用，尤其是在对时钟精度、抗干扰能力、信号完整性要求高的系统中，比如：

· 高速串行接口(PCIe、SFP+/QSFP、10G Ethernet、DDR4/DDR5)

· 多通道数据采集系

· 高速通信系统(SerDes)

· 精确同步系统(时间戳、ADC/DAC 驱动)

一、什么是差分晶振？

差分晶振(Differential Oscillator)是一种输出差分信号(如 LVDS、LVPECL、HCSL)的有源晶体振荡器，其输出两个互为反相的时钟信号(CLK+ 和 CLK\uE2)。它不同于传统的单端晶振(如 CMOS 输出的 Oscillator)。

二、差分信号的优势：

特性	差分信号	单端信号
抗干扰能力	强(共模噪声抵消)	弱
信号完整性	好，易于传输高速信号	差
驱动能力	高，适合远距离/高速传输	低
抖动性能	更低	相对较高

  \- L9 ~1 Z2 b& e

三、差分晶振在高速 FPGA 上的应用

1. 作为高速接口参考时钟

PCIe、10G/25G Ethernet、SATA 等高速接口必须使用差分参考时钟；

通常使用 100 MHz 或 156.25 MHz 差分晶振(如 HCSL/LVDS 输出)；

FPGA 内部的 GTX/GTH/GTP 等高速收发器模块(Transceivers) 需要这些差分参考时钟。

典型连接：

差分晶振 \uE2 FPGA GTREFCLK0/1(高速收发器参考时钟引脚)

2. 时钟树的核心时钟源

多通道高速系统中，使用差分晶振驱动一个时钟分配芯片(如 SI5341/AD9528)，再输出多个同步时钟；

适用于多 ADC、DAC、FPGA 通信时钟对齐。

结构示意：

差分晶振 \uE2 时钟管理芯片(如 PLL / Fanout Buffer)

                        \uE2

              多个同步时钟 \uE2 FPGA/ADC/DAC

3. 驱动 FPGA 内部 PLL/MMCM

差分晶振可用于提供高品质时钟输入(如通过 IBUFDS 接口进入 FPGA)，再由内部 PLL/MMCM 输出系统各模块时钟；提升时钟质量，降低整体系统时钟抖动。

常见差分输出类型与 FPGA 兼容性

输出类型	典型应用	FPGA 接口兼容性
LVDS	通用差分晶振输出类型	所有主流 FPGA 支持(GTX/GTH 输入)
HCSL	PCIe、服务器主板用	直接支持(如 Xilinx PCIe IP 核)
LVPECL	高频、高摆幅应用	需要外部终端匹配和偏置电阻
CML	超高速链路(>10 Gbps)	高端 FPGA 收发器支持

\uE2 建议根据 FPGA 厂商推荐使用匹配的差分输出类型。

四、差分晶振选型建议

参数	建议值
频率稳定度	\uC225 ppm 或更优
相位抖动(12kHz–20MHz)	< 1ps RMS(高速接口要求)
输出类型	LVDS/HCSL 优先，取决于 FPGA 兼容性
负载能力	驱动能力 \uE2 15pF 或与时钟芯片匹配
温度范围	工业级(-40\uC2C ~ +85\uC2C)或更宽

优先选择协议推荐频率：

PCIe：100 MHz；

SFP+/10G Ethernet：156.25 MHz；

25G/40G Ethernet：312.5 MHz；

JESD204B/C：250 MHz、312.5 MHz、625 MHz 等。

参考 FPGA 官方文档推荐时钟范围；

抖动指标要低：

RMS jitter < 0.5 ps(高速接口要求)；

特别重要于 PCIe、JESD204C、10G/25G Ethernet。

五、差分晶振在高速 FPGA 上的常用频率

频率(MHz)	应用场景	备注
100 MHz	PCIe Gen1/Gen2；通用高速逻辑系统	非常常见，支持 HCSL/LVDS
125 MHz	Gigabit Ethernet(千兆网)	适用于 GMII、SGMII 等接口
156.25 MHz	10G Ethernet(10GBASE-R/XAUI)、SFP+、QSFP、CEI 接口等	高速串行通信标准频率
200 MHz	DDR4 时钟、多速率收发器参考频率	通常用于倍频生成更高时钟
212.5 MHz	JESD204B/C 数据转换链路	高频采集通信接口标准频率
250 MHz	高速 ADC/DAC 系统、部分 JESD204C 系统	抖动要求更严格
312.5 MHz	25G Ethernet(25GBASE-R)、高速光通信系统	差分输出常为 CML/LVPECL
322.265625 MHz	CPRI(6.144 Gbps)参考时钟	通信基站 FPGA 用
644.53125 MHz	CPRI(12.288 Gbps)、JESD204C 高速链路	极高速接口，需要极低抖动晶振
Others(用户自定义)	特定频率输入给 PLL，再生成目标频率	需确认 PLL 支持倍频因子

\uE2 具体型号建议联系杭晶销售或技术工程师 推荐使用匹配的差分输出类型。

六、总结

项目	差分晶振的优势
精度	抖动低，频率稳定
抗干扰	强，共模噪声抑制好
速度	支持 GHz 级高速传输
应用	PCIe、SFP、DDR4/5、ADC、DAC、同步系统等

差分晶振在现代高速 FPGA 系统中几乎是标配，是确保系统高速通信与同步性能的关键器件。

如果你有具体的 FPGA 型号(如 Xilinx Zynq Ultrascale+、Intel Stratix 10)、差分晶振型号，或通信接口需求(如 PCIe Gen3/SFP+)，苏州杭晶可以帮你推荐最合适的时钟配置方案与原理图连接设计。

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