Zrozumienie wpływu fluktuacji na szybkie łącza i jego minimalizacja

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.