Zrozumienie wpływu fluktuacji na szybkie łącza i jego minimalizacja

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.

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.

Źródło: Zrozumienie wpływu fluktuacji na szybkie łącza i jego minimalizacja

Zdjęcie tytułowe: © Abracom

Kontakt w Polsce: poland.support@digikey.pl

Autor: Rolf Horn

Rolf Horn, Applications Engineer at DigiKey, has been in the European Technical Support group since 2014 with primary responsibility for answering any Development and Engineering related questions from final customers in EMEA, as well as writing and proof-reading German articles and blogs on DK’s TechForum and maker.io platforms. Prior to DigiKey, he worked at several manufacturers in the semiconductor area with focus on embedded FPGA, Microcontroller and Processor systems for Industrial and Automotive Applications. Rolf holds a degree in electrical and electronics engineering from the university of applied sciences in Munich, Bavaria and started his professional career at a local Electronics Products Distributor as System-Solutions Architect to share his steadily growing knowledge and expertise as Trusted Advisor.

Hobbies: spending time with family + friends, travelling in our VW-California transporter and motorbiking on a 1988 BMW GS 100.

Zapraszamy na TEK.day Wrocław, 14 marca 2024. Zapisz się już dziś!