DigiKey
Avtor: Rolf Horn
Vezja, plošče in sistemi za aplikacije, kot so brezžične bazne postaje, avtomatizacija proizvodnje, podatkovni centri in medicinsko slikanje, se za usklajevanje svojega delovanja vedno bolj zanašajo na natančne, sinhronizirane taktne signale.
V mnogih primerih je treba taktne signale razdeliti iz enega ali nekaj virov na več ciljnih podvezij in funkcij. To se doseže s topologijo porazdelitve takta, ki vključuje taktni oscilator, pogosto podprt ojačevalniki takta, generatorji takta, filtri za odpravo nihanj in omrežnimi sinhronizatorji.
Čeprav je glavna naloga ojačevalnika takta ravno ojačenje (replikacija signala iz vira, da se ga izolira od vpliva obremenitve, ki jo poganja), razvijalci iščejo tudi razlike med različnimi možnostmi integriranih vezij ojačevalnikov, vključno z razširjenim razcepom takta, pretvorbo napetosti za spremembo nivoja ter združljivostjo in usklajenostjo vhodov in izhodov. Hkrati pa vedno bolj zahtevne aplikacije zahtevajo minimalno nihanje, zamik in porabo energije.
Ta članek obravnava na videz preprosto delovanje ojačevalnikov takta ter zahtevne izzive, s katerimi se soočajo razvijalci pri izbiri in uporabi teh naprav. Nato predstavi primere ojačevalnikov takta podjetja SiTime [1] in pokaže, kako ti rešujejo te izzive.
Vloga ojačevalnika taktnega signala
Omrežje takta, ki se ustvari in razširja znotraj digitalnega sistema, se pogosto imenuje taktno drevo (slika 1). Obstaja tako v diskretnih vezjih kot tudi v celoti znotraj kompleksnega integriranega vezja. Poleg vira takta lahko drevo vključuje tudi ojačevalnike takta, naprave za odpravo nihanj in sinhronizatorje omrežja vzdolž poti do obremenitve. Število komponent in izhodov taktnega drevesa je odvisno od kompleksnosti sistema.
Ojačevalnik zagotavlja pogon in izolacijo, s čimer poskrbi, da obremenitve na končnih točkah zaznavajo taktni signal, ki je glede časovne usklajenosti in celovitosti valovne oblike čim bližje izvornemu taktu. Ojačevalnik prav tako preprečuje, da bi nihanja v obremenitvi negativno vplivala na izhod primarnega takta in druge točke obremenitve v drevesu.
Nekateri ojačevalniki izvajajo dodatne funkcije. Mednje spadajo porazdelitev na več bremen (fanout), selektivno preusmerjanje signalov iz ojačevalnika, deljenje frekvence signala s celoštevilčno vrednostjo, pretvarjanje formatov ravni signala in pretvarjanje napetostnih ravni.
Začnite s parametri zmogljivosti ojačevalnika
Idealni ojačevalnik takta bi zagotovil potrebno ločitev med virom in bremenom ter hkrati zagotovil dodatni pogonski tok, ki ga breme potrebuje. Vendar pa noben ojačevalnik ni idealen, zato ga je treba ovrednotiti glede na različne vidike zmogljivosti. Glavni dejavniki, ki se upoštevajo pri izbiri ustreznega ojačevalnika taktnega signala, so:
Najvišja delovna frekvenca: To je najvišja vhodna frekvenca takta, ki jo lahko ojačevalnik sprejme in reproducira, pri čemer še vedno dosega določene zmogljivosti.
Zamik pri prenosu (od vhoda do izhoda): Opredeljen je kot časovni zamik med trenutkom, ko se taktni signal pojavi na vhodu ojačevalnika, in trenutkom, ko se ta signal ponovi na izhodu. Če ima taktni signal le eno breme, ta zamik morda ni kritičen; v drugih konfiguracijah pa je lahko pomemben kazalnik kakovosti.
Dodano trepetanje: Nastane zaradi delovanja ojačevalnika in zmanjšuje natančnost takta, kot ga zaznavajo naprave, priključene na ojačevalnik. Lahko povzroči izgubo časovne sinhronizacije in druge neželene učinke.
Zamik med izhodi: To je časovna razlika med več taktnimi izhodi iz enega samega ojačevalnika. Velik zamik lahko povzroči težave s sinhronizacijo med podvezji in izgubo časovne usklajenosti.
Izolacija vhoda: Ta parameter meri sklopitev iz neizbranega taktnega vhoda v aktivno izhodno pot. Velja le za ojačevalnike, ki omogočajo izbiro med več taktnimi viri.
Časi vzpona in padca so med številnimi dejavniki, ki vplivajo na zakasnitev širjenja signala, nihanje in zamik. Počasnejši časi vzpona in padca povzročajo večjo negotovost pri digitalnem preklapljanju ojačevalnika. Hkrati pa lahko hitrejši časi vzpona in padca povzročijo več šuma takta in odboja ozemljitve, kar je škodljivo za delovanje ojačevalnika in splošno zmogljivost sistema.
Da bi zadostili raznolikim potrebam in prednostnim nalogam uporabnikov, podjetje SiTime v svoji visokozmogljivi seriji [2] ponuja široko paleto ojačevalnikov, ki podpirajo frekvence do 2,1 gigaherca (GHz) in so združljivi z več standardnimi vrstami vhodov. Ti ojačevalniki se med drugim odlikujejo po nizki zakasnitvi prenosa, nizkem utripanju (jitter) in majhnem zamiku med kanali.
Tehnične specifikacije se razlikujejo glede na napravo, vendar ta družina vključuje pomnilnike z zamikom med izhodi, ki znaša tipično le 30 pikosekund (ps), aditivnim utripanjem od 50 do 55 femtosekund (fs) RMS ter zakasnitvijo prenosa pod 1,6 nanosekunde (ns).
Podprti tipi in formati vhodnih in izhodnih podatkov
V zelo hitrih vezjih se uporabljajo različne vrste vhodnih in izhodnih signalov. V nekaterih primerih so ti potrebni za ohranjanje združljivosti s preostalim sistemom; v drugih pa se uporabljajo za izboljšanje integritete signala in zmanjšanje šuma. Zaradi teh razlogov se lahko za pretvorbo napetostnih ravni uporabi tudi ojačevalnik takta.
SiTime ojačevalniki takta podpirajo vrsto vhodnih tipov: diferencialno nizkonapetostno pozitivno logiko vezanim emitorjem (LVPECL), nizkonapetostno diferencialno signalizacijo (LVDS), nizkonapetostni komplementarni kovinsko-oksidni polprevodnik (LVCMOS), logiko v tokovnem načinu (CML) (samo z izmenično vezavo), zelo hitro logiko s krmiljenjem toka (HCSL), logiko s serijskim zaključkom (SSTL) ter asimetrične takte. To omogoča, da lahko ti ojačevalniki podpirajo široko paleto virov in vrst takta.
Na strani gonilnika se lahko ojačevalniki povezujejo z načini LVPECL, LVDS, HCSL ali visokoimpedančnim (Hi-Z) načinom. Zaradi te združljivosti ojačevalniki podpirajo številne zahteve glede signalov v taktnem drevesu.
Da bi omogočili to pretvorbo signala in spremembo napetostne ravni, lahko ojačevalniki iz te visokozmogljive serije delujejo v razponu neodvisnih vhodnih in izhodnih napetosti. Ti vključujejo napajanje jedra z napetostjo 3,3/2,5 volta in neodvisna izhodna napajanja z napetostjo 3,3/2,5 volta, pa tudi delovanje z napetostjo 3,3/2,5/1,8 volta za asimetrični izhodni ojačevalnik LVCMOS.
Izvedba zelo hitrega ojačevalnika z razvejanjem
Ojačevalnik takta za te frekvence je veliko več kot le preprosto digitalno integrirano vezje z neposredno vezavo, ki deluje kot repetitor. Namesto tega deluje v okviru prenosnih vodov, kjer sta impedanca in odboji pomembna dejavnika pri načrtovanju.
Dober primer je SIT92211AI-N [3] (slika 2). Ta 2,1 GHz ojačevalnik z razvejanjem (fanout) z nizkim utripanjem in 10 izhodi ter številnimi možnostmi nastavitve za uporabnika je na voljo v 48-pin QFN ohišju velikosti 7 × 7 milimetrov (mm).
S pomočjo tega ojačevalnika lahko sistem prek povezovanja izvodov izbere taktni vhod iz enega od treh virov: primarnega oscilatorja, sekundarnega oscilatorja ali kristala s frekvenco od 8 do 50 megahertzov (MHz). Primarni in sekundarni vhodi podpirajo tako diferencialne formate kot tudi asimetrične taktne signale. Izbrani taktni signal se lahko razporedi na dva neodvisna sklopa izhodnih vezij, A in B, ter na en LVCMOS izhod.
Na izhodni strani je mogoče izhodne gonilnike vsake banke neodvisno programirati za načine LVPECL, LVDS, HCSL ali Hi-Z. Izhod LVCMOS takta je sinhroniziran z izbranim taktom in ga je mogoče prek krmilnega signala vklopiti ali izklopiti brez motenj.
Obstaja veliko možnih konfiguracij vmesnika med virom takta in ojačevalnikom takta, pri čemer je za vsako potrebno skrbno preučiti podrobnosti izvedbe. V tehničnem listu za SIT92211AI-N je navedenih 10 konfiguracij, za vsako pa je priložena ilustracija in pojasnilo.
Na primer, diferencialni vhod je mogoče ožičiti tako, da sprejema asimetrične LVCMOS nivoje v AC načinu (slika 3). Ta konfiguracija zahteva, da se vsota izhodne impedance gonilnika (Ro) in zaporedne upornosti (Rs) ujema z impedanco prenosne linije. V tehničnem listu je pojasnjena vloga posameznih komponent pri zagotavljanju ustreznega vmesnika in impedančnega ujemanja, kar morda ni očitno manj izkušenim razvijalcem vmesnikov.
V tehničnem listu je prikazano tudi vezje za drugačne zahteve glede vmesnika. V nasprotju z vmesnikom z izmenično vezavo je mogoče diferencialni vhod povezati tako, da sprejema asimetrične LVCMOS taktne signale v DC načinu (slika 4).
Tako kot v prejšnjem primeru tudi ta konfiguracija zahteva, da je vsota Ro in Rs enaka impedanci prenosnega voda.
Ojačenje taktnega signala za avtomobilske sisteme
Sodobni avtomobili so visoko računalniško podprti sistemi. Zaradi tega potrebujejo tudi časovna drevesa za svoje procesorje in za usklajevanje časovnega sinhroniziranja v omrežju. Težava je v zahtevnem okolju, ki zahteva komponente, ki izpolnjujejo ustrezne avtomobilske standarde; za integrirana vezja velja standard AEC-Q100 v enem od več temperaturnih razredov.
Za izpolnitev standarda AEC-Q100 podjetje SiTime ponuja integrirano vezje za ojačevalnik takta SIT92184AA-N [4] (slika 5), napravo s frekvenco 200 MHz in osnovnim razvejanjem 1:4. Ta visoko zmogljiv LVCMOS ojačevalnik takta avtomobilskega razreda 1 (od -40 do 125 °C) ima aditivno fazno utripanje le 50 fs RMS in zelo nizek zamik med izhodi, manjši od 50 ps. Na voljo je v 8-pin DFN ohišju velikosti 2 × 2 mm in lahko deluje pri napetosti od 1,8 do 3,3 volta.
Posebna značilnost modela SIT92184AA-N je njegova sinhrona funkcija vklopa izhoda (OE) brez motenj, ki preprečuje nepopolne ali nepravilno oblikovane taktne impulze ob vklopu ali izklopu izhodov. Naprava ima tudi nazivno izhodno impedanco 50 Ohmov (Ω), kar poenostavlja zaključevanje v seriji pri pogonu 50 ohmskih prenosnih vodov. Na vhodni strani je treba izbrati vhodni ojačevalnik in morebitni zunanji zaporedni upor tako, da njuna skupna impedanca ustreza prenosni liniji (slika 6).
Zaključek
Delovanje sistemskega takta je konceptualno preprosto, vendar je zagotavljanje, da zelo hitri takt doseže vse obremenitve z neokrnjenim časovnim sinhroniziranjem in prvotno integriteto, hkrati stroga zahteva in izziv. Integrirana vezja za ojačevalnik takta zagotavljajo ojačenje in razširjanje taktnega signala (če je potrebno), da se ohrani vernost taktnega signala od vira do vseh obremenitev. SiTime ponuja paleto ojačevalnikov takta, ki zagotavljajo potrebno zmogljivost za visoke hitrosti, nizko nihanje, majhno zakasnitev in minimalen zaostanek, s čimer zagotavljajo zanesljivo in dosledno delovanje na ravni celotnega sistema.
Viri:
1: https://www.digikey.com/en/supplier-centers/sitime
2. https://www.digikey.com/en/product-highlight/s/sitime/high-performance-clock-buffers
3: https://www.digikey.com/en/products/detail/sitime/SIT92211AI-N/22168395
4: https://www.digikey.com/en/products/detail/sitime/SIT92184AA-N/22168593
