Digi-Key Electronics
Avtor: Rolf Horn
Oscilatorji takta predstavljajo ritem srčnega utripa sodobnih vezij s spodbujanjem sistemskih komponent. Ko se hitrosti sistema povečajo na stotine megahercev (MHz) in več, morajo biti te takti hitrejši in zagotavljati zelo nizko tresenje (angl. jitter), običajno pod 100 femtosekund (fs), da ohranijo zmogljivost sistema.
Prav tako morajo, kljub variacijam temperature in napetosti, ohraniti svoje specifikacije nizkega tresenja skozi čas.
Nekaj tresenja je povzročenega s šumom in popačenjem poti signalov in ga je mogoče nekoliko zmanjšati s tehnikami ponovnega umerjanja in nastavljanja časa. Vendar pa tresenje povzroča tudi vir takta, ki je običajno oscilator. To je posledica različnih fizičnih pojavov, vključno s termičnim šumom, postopkom napak, šumom napajalnika, drugim zunanjim šumom, ki vstopa v oscilator takta, obremenitvami materiala in številnimi drugimi subtilnimi dejavniki. Ne glede na vir mora razvijalec storiti vse, kar je v njegovi moči, da čim bolj zmanjša inherentno tresenje takta, saj pomanjkljivosti niso reverzibilne.
Ta članek obravnava težave s tresenjem z različnih vidikov. Nato predstavlja različne oscilatorje takta Abracon LLC in prikazuje, kako je mogoče zmanjšati tresenje z usklajevanjem delovanja oscilatorja takta z aplikacijo.
Osnove tresenja
Tresenje takta je odstopanje roba takta od idealnega položaja v času. To tresenje vpliva na časovno natančnost in natančnost prenosa podatkovnih signalov, ki jih spodbuja signal takta, kar vodi do poslabšanja razmerja med signalom in šumom (SNR) v vezju za dekodiranje/demodulacijo sprejemnika ali drugih sistemih integriranega vezja. Posledica tega je višji delež napačnih bitov (BER), povečani ponovni prenosi in zmanjšana učinkovitost pretoka podatkov.
Tresenje takta se zaradi njene pomembnosti pogosto analizira v sistemih, ki prenašajo signal od oddajnega vira do sprejemnika prek kablov, konektorjev ali tiskanih vezij. Odvisno od uporabe ga je mogoče označiti na več načinov, vključno z od cikla do cikla, obdobjem in dolgoročnim tresenjem (slika 1).
Tresenje lahko zmoti določanje časa, ki ga uporabljajo druge pod-funkcije, komponente ali sistemi, ki se uporabljajo za doseganje nizkega deleža napačnih bitov pri povrnitvi podatkov, ali komponente spodbujanja, kot so pomnilniški elementi ali procesorji v sinhronem sistemu. V diagramu zank na sliki 2 je to vidno kot razširitev mešanih točk pri bitnem določanju časa.
Za serijske podatkovne povezave mora vezje na sprejemnem koncu poskusiti znova vzpostaviti lastno uro za optimalno dekodiranje podatkovnega toka. Da bi to naredilo, se mora sinhronizirati in skleniti z izvorno uro, pogosto z uporabo fazno sklenjene zanke (PLL). Tresenje vpliva na sposobnost sistema, da to naredi natančno, kar ogroža njegovo sposobnost povrnitve podatkov z nizkim deležem napačnih bitov.
Upoštevajte, da je tresenje mogoče izmeriti v časovni in frekvenčni domeni; obe sta enako veljavna pogleda na isti pojav. Fazni šum je pogled frekvenčne domene na spekter šuma okoli signala oscilatorja, medtem ko je tresenje meritev časovne natančnosti obdobja oscilatorja v časovni domeni.
Meritve tresenja je mogoče izraziti na več načinov. Običajno se navaja z uporabo časovnih enot, kot je »tresenje 10 pikosekund« (ps). Efektivna vrednost šuma (RMS) faznega tresenja je parameter časovne domene, ki izhaja iz meritev faznega šuma (frekvenčne domene). Tresenje se včasih imenuje tudi fazno tresenje, kar lahko povzroči zmedo, vendar je še vedno parameter tresenja v časovni domeni.
Ko se delovne frekvence povezave in njihovitakti pospešijo z nekaj deset MHz na stotine MHz in več, se dovoljeno tresenje na viru takta zmanjša na približno 100 fs ali manj. Te frekvence veljajo za optične module, računalništvo v oblaku, omrežje in Ethernet z visoko hitrostjo, vse pa so funkcije in aplikacije, ki zahtevajo nosilno frekvenco med 100 in 212/215 MHz in prenos podatkov s hitrostjo do 400 gigabitov na sekundo (Gbps).
Obvladovanje kristala
Najpogostejši način za ustvarjanje stabilnega, doslednega signala takta z natančno frekvenco je uporaba kvarčnega kristalnega oscilatorja. Povezano vezje oscilatorja podpira kristal. Obstaja veliko takih družin vezij, vsaka z različnimi kompromisi. Kristali se v tej vlogi uporabljajo že od leta 1930 za brezžično radijsko komunikacijo na srednjih frekvencah (300 kilohercev (kHz) do 3 MHz) in na visokofrekvenčnih (3 do 30 MHz) radiofrekvenčnih RF pasovih.
Eden pogosto uporabljenih pristopov za ustvarjanje takta z nizkim tresenjem je uporaba ene od številnih različic arhitektur, ki temeljijo na fazno sklenjenih zankah (PLL). Na primer komponente v družinah Abracon AX5 in AX7 ClearClock™ so na voljo v 5 × 3,2 milimetra (mm) oziroma 5 × 7 mm ohišjih in uporabljajo sofisticirano tehnologijo fazno sklenjenih zank PLL za vrhunsko zmogljivost z nizkim tresenjem (slika 3).
Poleg delovne frekvence in zasnove oscilatorja na zmogljivost tresenja vpliva fizična velikost kvarčnega kristala v jedru oscilatorja. Ko se velikost tega kristala zmanjša, postane bolj zahtevno zagotoviti vrhunsko zmogljivost efektivnega tresenja RMS.
Za rešitve umerjanja v pasu od 100 do 200 MHz in v dejavnikih manjših oblik, kot so komponente AX5 in AX7, ki temeljijo na fazno sklenjenih zankah PLL, je potrebna nova arhitektura oscilatorja. Te zahteve za manjše velikosti so običajno povezane z najnovejšo generacijo optičnih oddajnikov-sprejemnikov in modulov. Obstajajo štirje uveljavljeni načini za načrtovanje oscilatorja takta v razponu od 100 do 200 MHz:
- 1: Kot resonančni element uporabite kvarčni oscilator z obrnjenim meza kvarčnim substratom
- 2: Kot resonančni element uporabite kvarčni oscilator, ki oscilira na tretji harmonični frekvenci
- 3: Uporabite zanko oscilatorja, ki temelji na kvarčnem oscilatorjuna tretji harmonični frekvenci pod 50 MHz ali temperaturno kompenziranem kristalnem oscilatorju pod 50 MHz, ki je povezan s faznimi sklenjenimi zankami integriranega vezja v celem ali delnem načinu
- 4: Uporabite sklenjeno zanko oscilatorja mikromehanskih sistemov (MEMS) pod 50 MHz, ki je združena s fazno sklenjenimi zankami integriranega vezja v celem ali delnem načinu
Možnost 1 ne ponuja najboljše zmogljivosti efektivnega tresenja RMS, niti ni stroškovno najučinkovitejša rešitev. Možnost 3 postane zapletena in ima pomanjkljivosti v zmogljivosti, medtem ko pristop resonančnega elementa MEMS pri možnosti 4 ne izpolnjuje primarnih meril zmogljivosti največjega efektivnega tresenja RMS 200 fs. Nasprotno temu možnost 2 uporablja optimalno zasnovan kvarčni oscilator na tretji harmonični frekvenc z upoštevanjem dane geometrije elektrod in optimizacijo kota reza. Ta kombinacija je optimalna glede stroškov, zmogljivosti in velikosti.
Z uporabo tega pristopa je družba Abracon razvila rešitve ClearClock s »tretjo harmonično frekvenco«. Te komponente uporabljajo tišjo arhitekturo, da omogočijo vrhunsko, izjemno nizko efektivno tresenje RMS in izjemno energijsko učinkovitost v miniaturnih ohišjih, ki so majhni tudi do 2,5 × 2,0 x 1,0 mm (slika 4).
V tej shemi skrbna zasnova kristalnega substrata s tretjo harmonično frekvenco skupaj s pravilnim filtriranjem in »lovljenjem« želenega nosilnega signala zagotavlja izjemno efektivno tresenje RMS pri želenih nosilnih frekvencah.
Ta arhitektura ne uporablja tipičnega pristopa fazno sklenjenih zank PLL, zato ni pretvorbe navzgor. Posledično ni potrebe po standardnem delnem ali celem množenju fazno sklenjenih zank PLL, končna izhodna frekvenca pa je v korelaciji ena proti ena z resonančno frekvenco kvarčnega kristala na tretji harmonični frekvenci. Odsotnost množenja z ulomki ali celimi števili poenostavlja zasnovo in omogoča minimalno tresenje v najmanjši možni velikosti.
Specifikacije in zmogljivost v realnosti
Oscilatorji takta so več kot le kristal in njegovo analogno vezje. Vključujejo izravnavanje, ki zagotavlja, da izhodna obremenitev oscilatorja ter njene kratkoročne in dolgoročne spremembe ne vplivajo na delovanje enote. Podpirajo tudi različne diferencialne digitalne logične izhodne ravni za združljivost vezja. Ta združljivost odpravlja potrebo po zunanjem prevajanju integriranega vezja na logični ravni. Tako integrirano vezje bi povečalo stroške, odtis in tresenje.
Ker se oscilatorji takta uporabljajo v toliko različnih aplikacijah z različnimi napetostmi vodil, jih je treba ponuditi v različnih napajalnih napetostih, kot so +1,8 V, +2,5 voltov ali +3,3 voltov, pa tudi vrednosti po meri, ki običajno obsegajo od 2,25 do 3,63 voltov. Na voljo morajo biti tudi z različnimi možnostmi izhodnega formata, kot je nizkonapetostna pozitivna/psevdo emitorska povezovalna logika (LVPECL) in nizkonapetostno diferencialno signalizacijo (LVDS), kot tudi druge formate.
Pogled na dve družini kristalnih oscilatorjev takta, AK2A in AK3A, prikazuje, kaj je mogoče doseči s sofisticiranim razumevanjem in integracijo materialov, zasnovo, arhitekturo in preskušanjem. Obe družini sta podobni, njuni izstopajoči razliki pa sta velikost in največja frekvenca.
Družina komponent AK2A: Ta družina kristalnih oscilatorjev je na voljo pri nominalnih frekvencah od 100 do 200 MHz in je na voljo z delovanjem napetosti 2,5 voltov, 3,3 voltov in od 2,25 do 3,63 voltov z diferencialno izhodno logiko LVPECL, LVDS in HCSL.
Vsi člani družine imajo podobno zmogljivost, vključno z nizkim efektivnim tresenje RMS. Na primer, komponenta AK2ADDF1-100.000T je komponenta s 100,00 MHz, 3,3 volti z izhodi LVDS in efektivnim tresenjem RMS 160,2 fs (slika 5). Njena stabilnost frekvence je odlična in boljša od ± 15 delcev na milijon (ppm) nad temperaturo in je na voljo v šest-pinSMD ohišju, ki meri 2,5 × 2,0 × 1,0 mm.
Ko pa se taktne frekvence povečajo, se mora tresenje zmanjšati, da se ohrani zmogljivost na ravni sistema. Za komponente AK2ADDF1-156.2500T, oscilator s 156,25 MHz LVDS, tipično efektivno tresenje RMS pade na 83 fs.
Družina komponent AK3A: Komponente v družini AK3A so nekoliko večje od tistih v družini AK2A s 3,2 × 2,5 × 1,0 mm odtisom (slika 6). Različice so na voljo in so določene na 212,5 MHz, kar je nekoliko višje od omejitve 200 MHz za družino AK2A.
Splošne specifikacije teh komponent AK3A so podobne specifikacijam ustreznega člana družine AK2A. Primer je AK3ADDF1-156.2500T3, oscilator LVDS s frekvenco 156,25 MHz, ki ima tipično efektivno tresenje RMS 81 fs, nekoliko boljše od ustreznega člana AK2A družina.
Tresenje za obe družini se razlikuje glede na delovno frekvenco, delovno napetost, velikost ohišja in izbiro izhodov.
Dodatni premisleki iz resničnega sveta
Ni dovolj imeti oscilator takta, ki deluje po specifikacijah samo na dan, ko zapusti tovarno. Kot pri vseh komponentah, zlasti analognih in pasivnih komponentah, so ti oscilatorji sčasoma podvrženi premikanju zaradi staranja sestavnih materialov in notranjih obremenitev.
Ta realnost je še posebej zahtevna za visoko zmogljive oscilatorje takta, saj ni priročnih ali preprostih načinov za popravljanje ali kompenzacijo tega premika z dodajanjem programske opreme ali pametnega vezja. Vendar pa obstaja nekaj načinov za ublažitev učinkov premika. Ti vključujejo dolga obdobja zagona s strani končnega uporabnika za pospešeno staranje oscilatorja ali uporabo temperaturno stabiliziranega oscilatorja v ohišju z nadzorovano temperaturo. Prvi način je zamuden in predstavlja izziv za dobavno verigo, medtem ko je drugi način obsežen, drag in porabi veliko energije.
Ob zavedanju, da je staranje kritični parameter, družina komponent Abracon‘s ClearClock ponuja strogo, vseobsegajočo natančnost frekvence v celotni življenjski dobi končnega izdelka od 10 do 20 let. Družba Abracon zagotavlja skladnost s frekvenčno stabilnostjo, ki je boljša od ± 50 ppm v tem obdobju. To se doseže s skrbno izbiro in izdelavo kristala na tretji harmonični frekvenci ter pogojevanjem, da doseže stabilnost ± 15 ppm nad –20 °C do +70 °C in stabilnost ± 25 ppm nad –40 °C do +85 °C.
Kot vedno gre pri inženiringu za kompromise. Seriji Abracon AK2A in AK3A zagotavljata izboljšano zmogljivost tresenja in šuma v primerjavi s svojimi predhodnimi serijami (Gen I AK2 oziroma AX3) z uporabo naslednje generacije (Gen II) oscilatorja ASIC, s čimer zagotavljata izjemno nizko efektivno tresenje RMS.
Ta izboljšava je dosežena na račun rahlega povečanja porabe energije. Največja poraba toka se poveča s 50 miliamperov (mA) za Gen I na 60 mA za Gen II, čeprav nizkonapetostne komponente delujejo približno na polovici te vrednosti. Druga generacija oscilatorjev ClearClock torej zagotavljajo izjemno nizko efektivno tresenje RMS, hkrati pa ohranjajo nizko porabo energije.
Zaključek
Oscilatorji s števci so srčni utrip podatkovne povezave ali funkcije takta, njihova natančnost, tresenje in stabilnost pa so kritični parametri za doseganje zahtevane zmogljivosti na ravni sistema, vključno z visokim razmerjem med signalom in šumom SNR in nizkim deležem napačnih bitov BER. Višje taktne frekvence je mogoče doseči z inovativnimi izbirami materialov in arhitekturami, ki ustrezajo strogim specifikacijam zmogljivosti, ki jih zahteva industrija in njeni različni standardi. Seriji Abracon AK2A in AK3A imajo tresenje pod 100 fs v razponu od 100 do 200 MHz v paketih komponent za površinsko montažo SMD, ki merijo le nekaj milimetrov na vsaki strani.
