Si5351 — как настроить генератор тактовой частоты?

Что это и зачем

Обычный кварцевый генератор даёт одну частоту, и менять её приходится перепайкой кварца. Si5351 решает другую задачу: один корпус даёт несколько независимых частот, и все они задаются цифрами. Внутри — PLL, который из одного опорного источника делает высокочастотную сетку, и дробные делители MultiSynth, каждый из которых отсчитывает от этой сетки до нужной частоты и умеет ставить дробную часть, поэтому точность выхода не зависит от того, кратна ли частота опорной.

Второе отличие — независимость каналов. Три выхода могут работать на трёх несвязанных частотах: в одном устройстве это обычно тактовая частота процессора, в другом — строб-импульс камеры, в третьем — аудиотакт. На аналоговых задачах то же самое выражается словами «генератор сигналов»: тот же прибор используют как источник синуса или прямоугольной волны заданной частоты.

Диапазон частот в свежих редакциях паспорта — от 2,5 кГц до 200 МГц. В ранних редакциях документации указывалось 8–160 МГц, и это расхождение до сих пор встречается в статьях и в готовых библиотеках: если библиотека или пример считает, что прибор «не выдаёт выше 160 МГц», это устаревшее ограничение, а не свойство кремния.

A, B и C — три разных прибора

Разница между A и B — не в числе выходов, а в управлении. У B внутри есть вариатор, и частоту можно слегка уводить внешним аналоговым сигналом: диапазон тяги настраивается в пределах примерно ±30…±240 ppm, полоса модуляции — до 10 кГц, коэффициент усиления задаётся тоже программно. На практике этим пользуются там, где частоту нужно подстраивать под нагрузку или под компенсацию дрейфа, не трогая кварц.

C отличается принципиально: он не запускается от собственного кварца вообще, его тактирует внешний сигнал CLKIN. Это вариант для систем, где уже есть мастер-такт и нужно раздать от него несколько производных частот в согласованной фазе.

Выбор между ними определяется одним вопросом: есть ли в системе источник тактовой частоты, который нужно развести. Если нет — нужен кварц, и тогда A или B. Если есть — C, и тогда отдельный кварц на плате не нужен вовсе.

Корпус решает, сколько выходов

Это самая частая ошибка в заказе: буквы A, B или C не говорят о числе каналов, корпус говорит. Прибор, купленный как «трёхканальный», в корпусе 20-QFN окажется восьмиканальным, а в корпусе 10-MSOP — трёхканальным, и это нормально, просто возможности разные.

Отдельно обращают внимание на питание выходов: у Si5351 оно своё, отдельное от питания ядра, и задаётся напряжением VDDO 1,8 / 2,5 / 3,3 В. Ядро питается 2,5 или 3,3 В. Это позволяет выдавать сигналы с логическим уровнем, отличным от уровня ядра, и не пересчитывать выход по уровням вручную.

Кварц: 25 или 27 МГц и нагрузочная ёмкость

Требование к кварцу жёсткое и в списках поставщиков почти не пишут: частота 25 или 27 МГц, нагрузочная ёмкость от 6 до 12 пФ, ESR не более 150 Ом, уровень возбуждения не более 100 мкВт. Прибор рассчитан на обычный недорогой AT-cut кварц, но конкретный кристалл должен попадать в эти рамки.

Встроенные нагрузочные конденсаторы переключаются регистром: доступны 0, 6, 8 и 10 пФ. Кварцы на 6, 8 или 10 пФ работают на встроенной ёмкости без внешних элементов. Кварцу на 12 пФ нужна встроенная ёмкость 10 пФ плюс внешние конденсаторы по 4 пФ на выводах XA и XB. А вот кварц на 40 пФ, который встречается в модулях на 3,3 В, сюда не подходит в принципе: суммарная ёмкость всё равно не превысит 12 пФ, и прибор либо не запустится, либо будет работать с заметной ошибкой частоты и плохой стабильностью.

Вторая практическая деталь — выводы XA и XB чувствительны к паразитной ёмкости, поэтому в SMD-исполнении нужен кварц на SMD-паде: у выводного (leaded) кварца выводы дают слишком много паразитной ёмкости. Второй по популярности выход из положения, когда под рукой только модульный генератор или TCXO, — подать тактовый сигнал на CLKIN, но это уже вариант C с переносом опорного источника.

Настройка: регистры и I2C

Конфигурация прибора — это файл значений регистров, который записывается по I2C. Готовый файл для своей схемы собирают в фирменной утилите ClockBuilder: задают частоту опорного источника, частоты и форматы выходов, тип выхода (меандр или синус), и получают двоичный образ, который нужно записать в прибор после подачи питания.

Адрес на шине I2C у Si5351 — 7-битный 0x60, и он меняется выводами, то есть на одной шине можно посадить несколько приборов. Здесь же начинаются совпадения с другими микросхемами: генератор AD9833, который мы разбирали отдельно, тоже сидит по адресу 0x60, и два этих прибора на одной шине не уживутся — развести их по разным линиям или развести по времени, как мы уже описывали для AD9833. Скорость шины — до 400 кГц.

Отдельный случай — запись конфигурации без микроконтроллера. Если прибор стоит в изделии, которое не имеет интерфейса программирования, образ регистров записывают один раз при производстве через ISP-подключение или через специальную площадку на плате; повторная запись возможна и на работающем изделии по I2C.

Можно ли поставить B вместо A

В корпусе 10-MSOP Si5351B выводно совместим с Si5351A: то же посадочное место, та же распиновка. Практический смысл такой замены есть в двух случаях: если A уже нет в наличии, а B доступен; или если проект изначально задумывался с тягой частоты и в схеме уже есть цепь на выводе VC, которая с A работает вхолостую.

Но есть условие: у B своя карта регистров, и образ, собранный для A, напрямую не подойдёт. Конфигурацию для B собирают заново — это работа на несколько минут в ClockBuilder, зато плату переделывать не приходится.

Обратная замена — B на A — тоже возможна выводно, но тянуть частоту в такой схеме уже нельзя, и если этот вывод был задействован функционально, прибор просто не выполнит свою задачу.

Что проверять при заказе

1. 01 Вариант: A, B или C — по наличию или отсутствию внешнего мастер-такта в системе.
2. 02 Корпус: 10-MSOP (3 выхода), 16-QFN (4) или 20-QFN (8) — число выходов задаёт корпус, а не буква в названии.
3. 03 Кварц: 25 или 27 МГц, нагрузочная ёмкость 6–12 пФ, SMD-исполнение.
4. 04 Питание ядра 2,5 или 3,3 В и напряжение выходов VDDO 1,8 / 2,5 / 3,3 В — по схеме.
5. 05 Адрес I2C 0x60 и его разведение с другими приборами на той же шине, прежде всего с AD9833.
6. 06 Образ конфигурации под конкретный корпус и набор частот — он не переносится между вариантами A, B и C.

Частые вопросы

• Сколько выходов у Si5351 — от трёх до восьми в зависимости от корпуса: 10-MSOP даёт три выхода.
• Чем отличается Si5351B от Si5351A — у B есть встроенный VCXO и вывод VC для аналоговой подстройки частоты.
• Чем отличается Si5351C — он тактируется внешним сигналом CLKIN 10–100 МГц, а не внутренним кварцем.
• Какой кварц нужен — 25 или 27 МГц с нагрузочной ёмкостью 6–12 пФ; кварц на 40 пФ не подходит.
• Можно ли заменить Si5351A на Si5351B без правки платы — да, в корпусе 10-MSOP они выводно совместимы, но конфигурацию собирают заново.
• Какой адрес по I2C — 0x60; с AD9833 на той же шине возникает конфликт.