Înțelegerea și minimizarea impactului fluctuațiilor asupra legăturilor de mare viteză

Oscilatoarele de ceas asigură ritmul de sincronizare al circuitelor moderne, stimulând componentele sistemului. Pe măsură ce vitezele sistemului cresc la sute de megahertzi (MHz) și mai mult, aceste ceasuri trebuie să fie mai rapide și să ofere o fluctuație foarte mică, de obicei sub 100 de femtosecunde (fs), pentru a menține performanța sistemului. De asemenea, acestea trebuie să își mențină specificațiile de fluctuații scăzute în timp, în ciuda variațiilor de temperatură și tensiune.

O parte din fluctuații este indusă de zgomotul și distorsiunea traseului semnalului și poate fi oarecum redusă cu ajutorul tehnicilor de resincronizare. Cu toate acestea, fluctuațiile sunt generate și de sursa ceasului, care este, de obicei, un oscilator. Acest lucru se datorează diferitelor fenomene fizice, inclusiv zgomotului termic, imperfecțiunilor procesului, zgomotului de alimentare, altor zgomote externe care pătrund în oscilatorul ceasului, tensiunilor materialelor și altor factori subtili. Indiferent de sursă, este de datoria proiectantului să facă tot posibilul pentru a reduce la minimum fluctuația inerentă a ceasului, deoarece deficiențele nu sunt reversibile.

Acest articol discută problemele legate de fluctuații din diferite perspective. În continuare, sunt prezentate diferite oscilatoare de ceas de la Abracon LLC și se arată cum poate fi minimizată fluctuația prin adaptarea performanței oscilatorului de ceas la aplicație.

Noțiuni de bază despre fluctuații

Fluctuațiile ceasului reprezintă abaterea unei margini de ceas de la poziția sa ideală în timp. Această fluctuație afectează precizia și acuratețea sincronizării transmiterii semnalelor de date pe care semnalul de ceas le menține la un anumit ritm, ceea ce duce la degradarea raportului semnal-zgomot (SNR) la circuitele de decodare/demodulare ale receptorului sau la alte circuite integrate ale sistemului. Acest lucru rezultă într-o rată de eroare pe bit (BER) mai mare, un număr mai mare de retransmisiuni și un debit efectiv de date redus.

Având în vedere caracterul lor critic, fluctuațiile ceasului sunt analizate pe scară largă în sistemele care transmit un semnal de la o sursă de emisie la un receptor prin cabluri, conectori sau plăci de circuit. În funcție de aplicație, acestea pot fi caracterizate în mai multe moduri, inclusiv fluctuații de la ciclu la ciclu, periodice și pe termen lung (Figura 1).

Figura 1: Termenul „fluctuații” cuprinde multe variații de sincronizare, inclusiv fluctuații de la ciclu la ciclu, fluctuații periodice și fluctuații pe termen lung. (Sursa imaginii: VLSI Universe)

• Fluctuațiile de la ciclu la ciclu reprezintă modificarea perioadei de ceas pe parcursul a două cicluri consecutive și nu are legătură cu variația frecvenței în timp.
• Fluctuațiile periodice reprezintă abaterea oricărei perioade de ceas în raport cu perioada sa medie. Acestea reprezintă diferența dintre perioadele de ceas ideale și cele reale și pot fi specificate fie ca fluctuații periodice de tip rădăcină medie pătratică (RMS), fie ca fluctuații periodice de la vârf la vârf.
• Fluctuațiile pe termen lung reprezintă abaterea marginii de ceas de la poziția sa ideală pe o perioadă mai lungă de timp. Sunt oarecum analoge cu abaterea.

Fluctuațiile pot afecta sincronizarea utilizată de alte subfuncții, componente sau sisteme utilizate pentru a obține o recuperare a datelor cu BER scăzut sau componente de ritm, cum ar fi elementele de memorie sau procesoarele într-un sistem sincron. Aceasta se observă în diagrama tip ochi din Figura 2 ca o lărgire a punctului de intersecție în sincronizarea biților.

Figura 2: Într-o diagramă tip ochi, fluctuațiile sunt văzute ca o lărgire a punctului critic de intersecție a sincronizării în fluxul de date. (Sursa imaginii: Kevin K. Gifford/Univ. din Colorado)

În cazul legăturilor de date seriale, circuitele de la capătul de recepție trebuie să încerce să își restabilească propriul ceas pentru o decodificare optimă a fluxului de date. Pentru a face acest lucru, trebuie să se sincronizeze și să se fixeze pe ceasul sursă, folosind adesea o buclă de blocare a fazei (PLL). Fluctuațiile afectează capacitatea sistemului de a face acest lucru cu precizie, compromițând capacitatea acestuia de a recupera datele cu un BER scăzut.

Rețineți că fluctuațiile pot fi măsurate atât în domeniul timpului, cât și în cel al frecvenței; ambele sunt perspective la fel de valide ale aceluiași fenomen. Zgomotul de fază este o vizualizare în domeniul de frecvență a spectrului de zgomot din jurul semnalului oscilatorului, în timp ce fluctuațiile reprezintă o măsură în domeniul de timp a preciziei de sincronizare a perioadei oscilatorului.

Măsurătorile fluctuațiilor pot fi exprimate în mai multe moduri. Acestea sunt exprimate în mod obișnuit folosind unități de timp, cum ar fi „fluctuații de 10 picosecunde” (ps). Fluctuațiile de fază tip rădăcină medie pătratică (RMS) reprezintă un parametru în domeniul timpului care este derivat din măsurarea zgomotului de fază (domeniul frecvenței). Fluctuațiile sunt, uneori, denumite și fluctuații de fază, ceea ce poate fi derutant, dar este totuși parametrul de fluctuații în domeniul timpului.

Pe măsură ce frecvențele de operare a legăturilor și ceasurile acestora cresc de la câteva zeci de MHz la sute de MHz și mai mult, fluctuațiile admisibile ale sursei de ceas scad la aproximativ 100 fs sau mai puțin. Aceste frecvențe se aplică modulelor optice, sistemelor de cloud computing, rețelelor și Ethernetului de mare viteză, toate acestea fiind funcții și aplicații care necesită o frecvență purtătoare între 100 și 212/215 MHz și viteze de transfer de date de până la 400 gigabiți pe secundă (Gbps).

Gestionarea cristalului

Cea mai comună modalitate de a crea un semnal de ceas stabil, consistent și precis este utilizarea unui oscilator cu cristal de cuarț. Un circuit oscilator asociat susține cristalul. Există multe astfel de familii de circuite, fiecare cu diferite compromisuri. Cristalele au fost utilizate în acest rol încă din anii ’30 pentru comunicațiile radio fără fir în benzile de radiofrecvență medie (de la 300 kilohertzi (kHz) la 3 MHz) și înaltă frecvență (de la 3 la 30 MHz).

O abordare utilizată pe scară largă pentru a genera ceasuri cu fluctuații scăzute este utilizarea uneia dintre numeroasele variante de arhitecturi bazate pe PLL. De exemplu, dispozitivele din familiile AX5 și AX7 ClearClock™ de la Abracon sunt disponibile în capsule de 5 × 3,2 milimetri (mm) și, respectiv, 5 × 7 mm și utilizează o tehnologie PLL sofisticată pentru performanțe superioare de fluctuații scăzute (Figura 3).

Figura 3: Oscilatoarele de ceas Abracon AX5 și AX7 utilizează unul dintre numeroasele modele bazate pe PLL, dar cu îmbunătățiri subtile pentru a minimiza fluctuațiile. (Sursa imaginii: Abracon)

Împreună cu frecvența de operare și designul oscilatorului, performanța fluctuațiilor este afectată de dimensiunea fizică a cristalului de cuarț din miezul oscilatorului. Pe măsură ce dimensiunea acestui cristal este redusă, devine mai dificil să se obțină performanțe superioare în ceea ce privește fluctuațiile RMS.

Pentru soluții de sincronizare în banda de 100-200 MHz și în factori de formă mai mici decât dispozitivele AX5 și AX7 bazate pe PLL, este necesară o nouă arhitectură de oscilator. Aceste cerințe de dimensiuni mai mici sunt asociate, de obicei, cu emițătoare-receptoare și module optice de ultimă generație. Există patru modalități consacrate de a proiecta un oscilator de ceas în intervalul 100-200 MHz:

1. Utilizând un oscilator cu tehnologie Inverted MESA cu cuarț brut ca element de rezonanță
2. Utilizând un oscilator cu cuarț brut cu a treia armonică drept element de rezonanță
3. Utilizând o buclă de oscilator bazată pe un oscilator cu cuarț cu a treia armonică/mod fundamental de sub 50 MHz sau un oscilator cu cristal cu compensarea temperaturii de sub 50 MHz, cuplat cu un circuit integrat PLL cu mod integral sau fracționar
4. Utilizând o buclă de oscilator pe bază de rezonator cu sisteme microelectromecanice (MEMS) de sub 50 MHz, cuplată cu un circuit integrat PLL în mod integral sau fracționar

Opțiunea 1 nu oferă cea mai bună performanță privind fluctuațiile RMS și nici nu este cea mai rentabilă soluție. Opțiunea 3 devine complicată și are deficiențe legate de performanță, în timp ce abordarea rezonatorului MEMS din opțiunea 4 nu îndeplinește criteriile principale de performanță de 200 fs pentru fluctuații RMS maxime. În schimb, opțiunea 2 utilizează un cuarț brut cu a treia armonică, cu proiectare optimă, ținând cont de geometria electrozilor și de optimizarea unghiului de tăiere. Această combinație este optimă din punctul de vedere al costurilor, performanțelor și dimensiunilor.

Folosind această abordare, Abracon a dezvoltat soluții ClearClock cu „a treia armonică” (Figura 4). Aceste dispozitive utilizează o arhitectură mai silențioasă pentru a permite performanțe superioare, cu fluctuații RMS ultra-reduse și eficiență energetică extremă în capsule miniaturale de numai 2,5 × 2,0 x 1,0 mm.

Figura 4: Soluția ClearClock cu „a treia armonică” de la Abracon utilizează o arhitectură mai silențioasă pentru a îmbunătăți performanța generală și eficiența energetică. (Sursa imaginii: Abracon)

În această schemă, proiectarea atentă a cristalului brut cu a treia armonică, împreună cu filtrarea și „captarea” corespunzătoare a semnalului purtător dorit, asigură o performanță remarcabilă a fluctuațiilor RMS la frecvențele purtătoare dorite.

Această arhitectură nu utilizează o abordare tipică PLL, deci nu există conversie ascendentă. În consecință, nu este nevoie de multiplicarea fracționară sau integrală standard PLL, iar frecvența finală de ieșire are o corelație unu-la-unu cu frecvența de rezonanță a cristalului de cuarț cu a treia armonică. Absența înmulțirii fracționare sau integrale simplifică proiectarea și permite fluctuații minime în cea mai mică dimensiune posibilă.

Specificații și performanțe în realitate

Oscilatoarele de ceas sunt mai mult decât un simplu cristal și circuitul său analogic. Acestea includ tamponarea pentru a se asigura că sarcina de ieșire a oscilatorului și variațiile sale pe termen scurt și lung nu afectează performanța unității. De asemenea, acestea acceptă diferite niveluri de ieșire logică digitală diferențială pentru compatibilitatea circuitelor. Această compatibilitate elimină necesitatea unui circuit integrat extern de conversie a nivelului logic. Un astfel de circuit integrat ar crește costul, amprenta și fluctuațiile.

Deoarece oscilatoarele de ceas sunt utilizate în atât de multe aplicații diverse, cu tensiuni diferite, acestea trebuie să fie disponibile cu o varietate de tensiuni de alimentare, cum ar fi +1,8 volți, +2,5 volți sau +3,3 volți, precum și valori personalizate care variază de obicei între 2,25 și 3,63 volți. De asemenea, acestea trebuie să fie disponibile cu diferite opțiuni ale formatului de ieșire, cum ar fi logica cuplată cu pseudo-emițător/emițător pozitiv de joasă tensiune (LVPECL) și semnalizarea diferențială de joasă tensiune (LVDS), precum și alte formate.

O privire asupra a două familii de oscilatoare de ceas cu cristal, AK2A și AK3A, demonstrează ce se poate realiza prin înțelegerea și integrarea sofisticată a materialelor, proiectării, arhitecturii și testării. Cele două familii sunt similare, diferențele principale fiind dimensiunea și frecvența maximă.

Familia AK2A: Această familie de oscilatoare cu cristale este oferită la frecvențe nominale de la 100 la 200 MHz și este disponibilă cu tensiuni de funcționare de 2,5 volți, 3,3 volți și 2,25-3,63 volți cu logică de ieșire diferențială LVPECL, LVDS și HCSL.

Toți membrii familiei au performanțe similare, inclusiv fluctuații RMS scăzute. De exemplu, AK2ADDF1-100.000T este un dispozitiv de 100,00 MHz, 3,3 volți, cu ieșiri LVDS și fluctuații RMS de 160,2 fs (Figura 5). Stabilitatea frecvenței sale este excelentă, peste ±15 părți pe milion (ppm) în funcție de temperatură, și este livrat într-o capsulă pentru montare pe suprafață (SMD) cu șase conductoare, de numai 2,5 × 2,0 × 1,0 mm.

Figura 5: Fluctuațiile sunt prezentate ca fiind de 160 fs pentru AK2ADDF1-100.000T, un dispozitiv de 3,3 volți, 100 MHz cu ieșiri LVDS. (Sursa imaginii: Abracon)

Cu toate acestea, pe măsură ce frecvențele de ceas cresc, fluctuațiile trebuie să scadă pentru a menține performanța la nivel de sistem. Pentru AK2ADDF1-156.2500T, un oscilator LVDS de 156,25 MHz, fluctuațiile RMS tipice scad la 83 fs.

Familia AK3A: Dispozitivele din familia AK3A sunt puțin mai mari decât cele din familia AK2A, având o amprentă de 3,2 × 2,5 × 1,0 mm (Figura 6). Sunt disponibile mai multe versiuni și specificații până la 212,5 MHz, ceva mai mult decât limita de 200 MHz pentru familia AK2A.

Figura 6: Oscilatoarele cu cristal AK3A (dreapta) sunt puțin mai lungi și mai late decât cele din seria AK2A (stânga); sunt disponibile versiuni pentru frecvențe de până la 212,5 MHz, față de 200 MHz pentru AK2A. (Sursa imaginii: Abracon)

Specificațiile generale pentru acest dispozitiv AK3A sunt similare cu cele ale membrului corespondent al familiei AK2A. Un exemplu este AK3ADDF1-156.2500T3, un oscilator LVDS de 156,25 MHz, care are fluctuații RMS tipice de 81 fs, puțin mai bune decât în cazul membrului corespondent din familia AK2A.

Fluctuațiile pentru ambele familii variază în funcție de frecvența de operare, tensiunea de operare, dimensiunea capsulei și alegerea ieșirilor.

Considerente suplimentare pentru lumea reală

Nu este suficient să avem un oscilator de ceas care să funcționeze conform specificațiilor doar în ziua în care părăsește fabrica. La fel ca toate componentele, în special cele analogice și pasive, aceste oscilatoare sunt supuse unei abateri în timp din cauza îmbătrânirii materialelor constitutive și a tensiunilor interne.

Această realitate reprezintă o provocare în special pentru oscilatoarele de ceas de înaltă performanță, deoarece nu există modalități convenabile sau simple de a corecta sau de a compensa această abatere prin adăugarea de software sau de circuite inteligente. Cu toate acestea, există câteva modalități de atenuare a efectelor abaterii. Printre acestea se numără perioadele îndelungate de funcționare la temperaturi de „burn-in” realizate de către utilizatorul final pentru o îmbătrânire accelerată a oscilatorului, sau utilizarea unui oscilator stabilizat din punctul de vedere al temperaturii într-o incintă controlată de un cuptor. Prima variantă necesită mult timp și reprezintă o provocare pentru lanțul de aprovizionare, în timp ce a doua este mare, costisitoare și consumă multă energie.

Recunoscând faptul că îmbătrânirea este un parametru critic, familia ClearClock de la Abracon oferă o precizie strictă și completă a frecvenței pe întreaga durată de viață a produsului final, de 10 până la 20 de ani. Abracon asigură respectarea unei stabilități a frecvenței de peste ±50 ppm în această perioadă. Acest lucru este realizat prin selectarea și fabricarea atentă a cristalului cu a treia armonică și prin condiționarea acestuia pentru a atinge o stabilitate de ±15 ppm între -20 °C și +70 °C și o stabilitate de ±25 ppm între -40 °C și +85 °C.

Ca întotdeauna, ingineria implică multe compromisuri. Seriile Abracon AK2A și AK3A oferă performanțe îmbunătățite în ceea ce privește fluctuațiile și zgomotul în comparație cu seriile precedente (Gen I AK2 și, respectiv, AX3) prin utilizarea unui oscilator ASIC de generație următoare (Gen II), asigurând astfel performanțe de fluctuații RMS ultra-joase.

Această îmbunătățire este obținută cu prețul unei ușoare creșteri a consumului de energie. Consumul maxim de curent crește de la 50 miliamperi (mA) pentru Gen I la 60 mA pentru Gen II, deși dispozitivele de joasă tensiune funcționează la jumătate din această valoare. Prin urmare, oscilatoarele ClearClock din a doua generație oferă fluctuații RMS ultra-reduse, menținând în același timp un consum redus de energie.

Concluzie

Oscilatoarele de sincronizare stau la baza unei legături de date sau a unei funcții de sincronizare, iar precizia, fluctuațiile și stabilitatea lor sunt parametri critici pentru obținerea performanțelor necesare la nivel de sistem, inclusiv un SNR ridicat și un BER scăzut. Frecvențele de ceas mai mari pot fi obținute cu ajutorul unor selecții de materiale și arhitecturi inovatoare care îndeplinesc specificațiile stricte de performanță cerute de industrie și de diferitele sale standarde. Seriile Abracon AK2A și AK3A au fluctuații de sub 100 fs în intervalul de 100-200 MHz în capsule SMD de doar câțiva milimetri pe fiecare parte.