Zrozumienie wpływu fluktuacji na szybkie łącza i jego minimalizacja

Oscylatory zegarowe zapewniają sygnał synchronizujący dla nowoczesnych obwodów taktując pracę komponentów systemu. W miarę wzrostu prędkości systemów do setek megaherców (MHz) i powyżej, zegary muszą być szybsze i zapewniać bardzo niskie fluktuacje, zwykle poniżej 100fs, aby utrzymać parametry działania systemu. Muszą również utrzymywać niskie fluktuacje przez długi czas, pomimo zmian temperatury i napięcia.

Pewne fluktuacje są powodowane przez szumy i zniekształcenia na ścieżce sygnałowej. Można je nieco zredukować za pomocą technik odświeżania sygnału zegarowego i ponownej synchronizacji. Jednak fluktuacje są również generowane przez źródło zegara, którym zwykle jest oscylator. Jest to spowodowane różnymi zjawiskami fizycznymi, w tym szumami termicznymi, niedoskonałościami procesów, szumami zasilania, innymi szumami zewnętrznymi docierającymi do oscylatora zegarowego, naprężeniami materiałowymi i wieloma innymi subtelnymi czynnikami. Niezależnie od źródła, projektant musi zrobić wszystko, co możliwe, aby zminimalizować fluktuacje charakterystyczne zegara, ponieważ ich oddziaływanie jest nieodwracalne.

W niniejszym artykule omówiono kwestie fluktuacji z różnych perspektyw. Następnie przedstawiono różne oscylatory zegarowe firmy Abracon LLC i pokazano, w jaki sposób można zminimalizować fluktuacje poprzez dopasowanie parametrów działania oscylatora zegarowego do zastosowania.

Podstawy fluktuacji

Fluktuacje zegara to odchylenie zbocza zegara od idealnego położenia w czasie. Fluktuacje te wpływają na precyzję synchronizacji i dokładność transmisji sygnałów danych, które są taktowane przez zegar, prowadząc do pogorszenia stosunku sygnału do szumu (SNR) w obwodzie dekodowania i demodulacji odbiornika lub w innych układach scalonych systemu. Skutkuje to wyższą bitową stopą błędów (BER), zwiększoną retransmisją i zmniejszoną efektywną przepustowością danych.

Ze względu na ich krytyczność, fluktuacje zegara poddaje się szerokiej analizie w systemach, które przekazują sygnał ze źródła nadawczego do odbiornika za pomocą kabli, złączy lub płytek drukowanych. W zależności od zastosowania, można je skategoryzować na wiele sposobów, w tym wg podziału na fluktuacje międzycyklowe, okresowe i długoterminowe (ilustracja 1).

Ilustracja 1: termin „fluktuacje” obejmuje wiele podtypów fluktuacji związanych z synchronizacją, w tym fluktuacje międzycyklowe, fluktuacje okresowe i fluktuacje długoterminowe. (Źródło ilustracji: VLSI Universe)

• Fluktuacje międzycyklowe oznaczają zmianę okresu zegara w dwóch kolejnych cyklach i nie są związane ze zmiennością częstotliwości w czasie.
• Fluktuacje okresowe to odchylenie dowolnego okresu zegara od jego średniego okresu. Jest to różnica między idealnym i rzeczywistym okresem zegara. Można ją określić jako fluktuacje okresowe skuteczne (RMS) lub fluktuacje okresowe międzyszczytowe.
• Fluktuacje długoterminowe to odchylenie zbocza zegara od idealnej pozycji w dłuższym okresie czasu. Są nieco podobne do dryftu.

Fluktuacje mogą zaburzać synchronizację wykorzystywaną przez inne podfunkcje, komponenty lub systemy służące do uzyskiwania niskiej bitowej stopy błędów (BER), lub komponenty taktujące, takie jak elementy pamięci lub procesory w systemie synchronicznym. Widać to na wykresie oczkowym na ilustracji 2 jako poszerzenie punktu przecięcia w synchronizacji bitowej.

Ilustracja 2: na diagramie oczkowym fluktuacje są postrzegane jako poszerzenie krytycznego punktu przecięcia synchronizacji w strumieniu danych. (Źródło ilustracji: Kevin K. Gifford/Uniw. Kolorado)

W przypadku szeregowych łączy danych, obwód po stronie odbiorczej musi podjąć próbę ponownego ustanowienia własnego zegara w celu optymalnego dekodowania strumienia danych. Aby to zrobić, musi on zsynchronizować się z zegarem źródłowym i z nim zblokować, często z wykorzystaniem pętli synchronizacji fazowej (PLL). Fluktuacje wpływają na zdolność systemu do precyzyjnej realizacji tego zadania, zagrażając jego zdolności do odbioru danych przy niskiej bitowej stopie błędów (BER).

Należy pamiętać, że fluktuacje można mierzyć zarówno w dziedzinie czasu, jak i częstotliwości. Obie metody są równie przydatnymi perspektywami tego samego zjawiska. Szum fazowy jest widmem szumu wokół sygnału oscylatora w dziedzinie częstotliwości, natomiast fluktuacje są miarą dokładności synchronizacji okresu oscylatora w dziedzinie czasu.

Pomiary fluktuacji można wyrazić na kilka sposobów. Powszechnie podaje się je przy użyciu jednostek czasu, np. „fluktuacje wynoszące 10 pikosekund” (ps). Fluktuacje fazowe skuteczne (RMS) to parametr w dziedzinie czasu, który określa się na podstawie pomiaru szumu fazowego (w dziedzinie częstotliwości). Fluktuacje są niekiedy określane mianem fluktuacji fazowych, co może być mylące, ale nadal jest to parametr fluktuacji w dziedzinie czasu.

Wraz ze wzrostem częstotliwości roboczych łączy i ich zegarów z kilkudziesięciu MHz do setek MHz i więcej, dopuszczalne fluktuacje źródła zegara zmniejszają się do około 100fs i poniżej. Częstotliwości te dotyczą modułów optycznych, przetwarzania w chmurze, sieci i szybkiego Ethernetu, przy czym we wszystkich tych obszarach wymagane są częstotliwości nośne od 100 do 212/215MHz i szybkości transmisji danych do 400Gbps.

Zarządzanie kryształami

Najczęstszym sposobem uzyskania stabilnego, powtarzalnego i dokładnego sygnału zegarowego jest użycie kwarcowego oscylatora krystalicznego. Kryształowi towarzyszy odpowiedni obwód oscylatora. Istnieje wiele grup takich obwodów, a każda z nich charakteryzuje się z różnymi kompromisami. Kryształy są używane w ten sposób od lat 30. XX wieku w bezprzewodowej komunikacji radiowej na pasmach częstotliwości radiowych średnich (300kHz do 3MHz) i wysokich (od 3 do 30MHz).

Jednym z szeroko stosowanych sposobów generowania zegarów o niskich fluktuacjach jest wykorzystanie jednej z wielu odmian architektur opartych na pętli synchronizacji fazowej (PLL). Na przykład urządzenia z grup AX5 i AX7 ClearClock™ firmy Abracon dostępne są w obudowach odpowiednio 5 × 3,2mm i 5 × 7mm. Wykorzystują one zaawansowaną technologię pętli synchronizacji fazowej (PLL) zapewniającą znakomite parametry działania przy niskich fluktuacjach (ilustracja 3).

Ilustracja 3: oscylatory zegarowe AX5 i AX7 firmy Abracon wykorzystują jedną z wielu konstrukcji opartych na pętli synchronizacji fazowej (PLL), z subtelnymi ulepszeniami w celu zminimalizowania fluktuacji. (Źródło ilustracji: Abracon)

Oprócz częstotliwości roboczej i konstrukcji oscylatora, na fluktuacje wpływają również fizyczne rozmiary kryształu kwarcu w rdzeniu oscylatora. W miarę zmniejszania się rozmiarów tego kryształu, coraz trudniejsze staje się zapewnienie doskonałych parametrów działania pod względem fluktuacji skutecznych (RMS).

W przypadku rozwiązań zegarowych działających w paśmie od 100 do 200MHz oraz w przypadku rozwiązań o mniejszych rozmiarach niż urządzenia AX5 i AX7, oparte na pętli synchronizacji fazowej (PLL), potrzebna jest nowa architektura oscylatora. Te wymagania dotyczące mniejszych rozmiarów są zwykle związane z nadajniko-odbiornikami i modułami optycznymi najnowszej generacji. Istnieją cztery sposoby projektowania oscylatorów zegarowych na zakres od 100 do 200MHz:

1. Użycie elementu rezonatora w postaci oscylatora kwarcowego z kwarcową formą z odwróconą wysepką
2. Użycie elementu rezonatora w postaci oscylatora kwarcowego z kwarcową formą z trzecią składową harmoniczną
3. Użycie pętli oscylatora opartej na kwarcowej formie z trzecią składową harmoniczną/trybem podstawowym o częstotliwości poniżej 50MHz lub oscylatora krystalicznego z kompensacją temperatury o częstotliwości poniżej 50MHz, połączonego z całkowitoliczbowym lub ułamkowym układem scalonym z pętlą synchronizacji fazowej (PLL)
4. Wykorzystanie pętli oscylatora opartego na rezonatorze mikroelektromechanicznym (MEMS) o częstotliwości poniżej 50MHz w połączeniu z całkowitoliczbowym lub ułamkowym układem scalonym z pętlą synchronizacji fazowej (PLL)

Opcja 1 nie oferuje najlepszych parametrów w zakresie fluktuacji skutecznej (RMS), ani nie jest rozwiązaniem najbardziej opłacalnym. Wariant 3 wiąże się z komplikacjami i ma pewne wady jeśli chodzi o parametry działania, podczas gdy podejście z użyciem rezonatora w postaci rezonatora mikroelektromechanicznego (MEMS) w wariancie 4 nie spełnia podstawowych kryteriów parametrów działania w zakresie maksymalnych fluktuacji skutecznych (RMS) na poziomie 200fs. W przeciwieństwie do tego, opcja 2 wykorzystuje optymalnie zaprojektowaną formę kwarcową z trzecią składową harmoniczną, z uwzględnieniem geometrii elektrod i optymalizacją kąta cięcia. Takie połączenie jest optymalne pod względem kosztów, parametrów działania i rozmiarów.

Stosując to podejście, firma Abracon opracowała rozwiązanie ClearClock z „trzecią składową harmoniczną” (ilustracja 4). Urządzenia te wykorzystują cichszą architekturę, aby zapewnić znakomite parametry działania, ultraniskie fluktuacje skuteczne (RMS) oraz wyjątkową sprawność energetyczną w miniaturowych obudowach o wymiarach zaledwie 2,5 × 2,0 x 1,0mm.

Ilustracja 4: Rozwiązanie ClearClock z „trzecią składową harmoniczną” firmy Abracon wykorzystuje cichszą architekturę, aby poprawić ogólne parametry działania i sprawność energetyczną. (Źródło ilustracji: Abracon)

W tym schemacie, staranne zaprojektowanie formy krystalicznej z trzecią składową harmoniczną, wraz z odpowiednim filtrowaniem i „wychwytywaniem” pożądanego sygnału nośnego, zapewnia znakomite parametry działania w kontekście fluktuacji skutecznych (RMS) przy żądanych częstotliwościach nośnych.

Ta architektura nie wykorzystuje typowego podejścia z pętlą synchronizacji fazowej (PLL), więc konwersja w górę nie występuje. W związku z tym, nie ma potrzeby standardowego mnożenia przez liczby ułamkowe lub całkowite jak w przypadku pętli synchronizacji fazowej (PLL), a ostateczna częstotliwość wyjściowa jest skorelowana jeden do jednego z częstotliwością rezonansową kryształu kwarcowego z trzecią składową harmoniczną. Brak mnożenia przez liczby ułamkowe i całkowite upraszcza projekt i zapewnia minimalne fluktuacje przy możliwie najmniejszych rozmiarach.

Specyfikacje i parametry działania w praktyce

Oscylatory zegarowe to coś więcej niż tylko kryształy i ich obwody analogowe. Obejmują one funkcję buforowania zapewniającą, że obciążenie wyjściowe oscylatora oraz jego krótko- i długoterminowa zmienność nie wpłyną na parametry działania urządzenia. Obsługują one również różne cyfrowe logiczne poziomy wyjściowe w celu zapewnienia kompatybilności obwodów. Ta kompatybilność eliminuje potrzebę stosowania zewnętrznego układu scalonego translacji poziomów logicznych. Taki układ scalony zwiększyłby koszty, zajmowaną powierzchnię i fluktuacje.

Ponieważ oscylatory zegarowe są używane w tak wielu różnorodnych zastosowaniach z różnymi napięciami szyn, muszą być oferowane na różne napięcia zasilania, np. +1,8V, +2,5V lub +3,3V, a także na wartości niestandardowe, zwykle w zakresie od 2,25 do 3,63V. Muszą być również dostępne w różnych opcjach formatu wyjściowego, takich jak niskonapięciowa logika o dodatnim sprzężeniu emiterowym(LVPECL) oraz niskonapięciowe sygnały różnicowe (LVDS), a także innych.

Spojrzenie na dwie grupy krystalicznych oscylatorów zegarowych, AK2A i AK3A, demonstruje, co można osiągnąć dzięki zaawansowanemu zrozumieniu i kombinacji materiałów, projektu, architektury i prób. Te dwie grupy są do siebie podobne, choć różnią się rozmiarami i częstotliwością maksymalną.

Grupa AK2A: ta grupa oscylatorów krystalicznych jest oferowana w zakresie częstotliwości znamionowych od 100 do 200MHz i jest dostępna na napięcia robocze 2,5V, 3,3V oraz od 2,25 do 3,63V z niskonapięciową logiką o dodatnim sprzężeniu emiterowym (LVPECL), niskonapięciowym sygnałem różnicowym (LVDS) i logiką sterującą prądem o wysokiej prędkości (HCSL) wyjścia różnicowego.

Wszystkie produkty z tej grupy charakteryzują się podobnymi parametrami działania, również niskimi fluktuacjami skutecznymi (RMS). Na przykład AK2ADDF1-100.000T jest urządzeniem o częstotliwości 100,00MHz i napięciu 3,3V z wyjściami niskonapięciowego sygnału różnicowego (LVDS) i fluktuacjami skutecznymi (RMS) 160,2fs (ilustracja 5). Charakteryzuje się ono znakomitą stabilnością termiczną częstotliwości na poziomie lepszym od ±15ppm i jest oferowane w obudowie do montażu powierzchniowego (SMD) z sześcioma odprowadzeniami, o wymiarach 2,5 × 2,0 × 1,0mm.

Ilustracja 5: dla urządzenia AK2ADDF1-100.000T o napięciu 3,3V i częstotliwości 100MHz z wyjściami niskonapięciowego sygnału różnicowego (LVDS) fluktuacje wynoszą 160fs. (Źródło ilustracji: Abracon)

Jednak wraz ze wzrostem częstotliwości zegara fluktuacje muszą się zmniejszać, aby utrzymać odpowiednie parametry działania na poziomie systemu. Dla oscylatora niskonapięciowego sygnału różnicowego (LVDS) 156,25MHz AK2ADDF1-156.2500T, typowe fluktuacje RMS spadają do 83fs.

Grupa AK3A: urządzenia z grupy AK3A są nieco większe od urządzeń z grupy AK2A i mają wymiary 3,2 × 2,5 × 1,0mm (ilustracja 6). Dostępne są wersje ze specyfikacjami dla częstotliwości do 212,5MHz, czyli nieco powyżej limitu 200MHz dla grupy AK2A.

Ilustracja 6: oscylatory krystaliczne AK3A (po prawej) są nieco dłuższe i szersze niż te z serii AK2A (po lewej). Dostępne są wersje na częstotliwości do 212,5MHz, natomiast w serii AK2A było to maksymalnie 200MHz. (Źródło ilustracji: Abracon)

Ogólne specyfikacje tego urządzenia AK3A są podobne do specyfikacji analogicznego urządzenia z grupy AK2A. Przykładem jest oscylator niskonapięciowych sygnałów różnicowych (LVDS) 156,25MHz AK3ADDF1-156.2500T3 o typowych fluktuacjach skutecznych (RMS) wynoszących 81fs, nieco lepszych niż w analogicznych urządzeniach z grupy AK2A.

Fluktuacje dla obu grup różnią się w zależności od częstotliwości roboczej, napięcia roboczego, rozmiaru obudowy i dostępnych wyjść.

Dodatkowe zagadnienia praktyczne

Oscylator zegarowy, który pracuje zgodnie ze specyfikacjami tylko w dniu opuszczenia fabryki to za mało. Podobnie jak w przypadku wszystkich komponentów, zwłaszcza analogowych i pasywnych, omawiane oscylatory podlegają dryftowi w czasie ze względu na starzenie się materiałów składowych i naprężenia wewnętrzne.

W rzeczywistości stanowi to szczególnie trudne wyzwanie dla oscylatorów zegarowych o wysokich parametrach, ponieważ nie istnieją wygodne i proste sposoby na skorygowanie lub skompensowanie tego dryftu przez dodanie oprogramowania lub inteligentnych obwodów. Istnieją jednak sposoby na złagodzenie skutków dryftu. Są to m.in. długie okresy wygrzewania przez użytkownika końcowego w celu przyspieszonego postarzania oscylatora lub zastosowanie oscylatora ze stabilizacją temperatury w stabilizowanej termicznie obudowie. Pierwszy z nich jest czasochłonny i stanowi wyzwanie dla łańcucha dostaw, podczas gdy drugie rozwiązanie jwymaga dużo miejsca, jest kosztowne i energochłonne.

Ponieważ starzenie się jest parametrem krytycznym, grupa produktów ClearClock firmy Abracon oferuje rygorystyczną, pełną dokładność częstotliwości w całym okresie użytkowania produktu końcowego wynoszącym od 10 do 20 lat. Firma Abracon zapewnia spełnienie w tym okresie wymagań pod kątem stabilności częstotliwości na poziomie lepszym niż ±50ppm. Odbywa się to poprzez staranny dobór i wyprodukowanie kryształu z trzecią składową harmoniczną oraz kondycjonowanie go do uzyskania stabilności ±15ppm w zakresie od -20°C do +70°C oraz stabilności ±25ppm w zakresie od -40°C do +85°C.

Jak zawsze, w inżynierii chodzi o kompromisy. Seria AK2A i AK3A urządzeń firmy Abracon zapewnia lepsze parametry działania pod względem szumów i fluktuacji w porównaniu z poprzednimi seriami (odpowiednio AK2 i AX3 w 1. generacji) dzięki zastosowaniu specjalizowanego układu scalonego (ASIC) oscylatora nowej generacji (2. generacji), zapewniając w ten sposób ultraniskie fluktuacje skuteczne (RMS).

Poprawę tę osiąga się kosztem niewielkiego wzrostu poboru mocy. Maksymalny pobór prądu wzrasta z 50mA dla 1. generacji do 60mA dla 2. generacji, chociaż urządzenia niskonapięciowe mają tę wartość o około połowę niższą. Tak więc oscylatory ClearClock drugiej generacji zapewniają ultraniskie fluktuacje skuteczne (RMS) przy zachowaniu niskiego poboru mocy.

Podsumowanie

Oscylatory synchronizacyjne stanowią serce łączy danych lub funkcji taktowania, a ich dokładność, fluktuacje i stabilność są parametrami krytycznymi dla osiągnięcia wymaganych parametrów działania na poziomie systemu, w tym wysokiego stosunku sygnału do szumu (SNR) i niskiej bitowej stopy błędów (BER). Wyższe częstotliwości taktowania można osiągnąć dzięki doborowi innowacyjnych materiałów i architektur, które spełniają rygorystyczne specyfikacje pod kątem parametrów działania, wymagane w branży i różnych normach. Serie AK2A i AK3A urządzeń firmy Abracon charakteryzują się fluktuacjami poniżej 100fs w zakresie częstotliwości od 100 do 200MHz i są zamknięte w obudowach SMD, w których każdy bok mierzy zaledwie kilka milimetrów.