Pochopení a minimalizace dopadu jitteru na vysokorychlostní vedení

Hodinové oscilátory používající systémové taktovací součásti jsou srdcem moderních obvodů. Se zvyšováním rychlosti systému na stovky MHz a více musí být tyto hodinové impulzy stále rychlejší a vykazovat velmi nízký jitter, obvykle pod 100 femtosekund (fs), aby byl zachován výkon systému. Tyto impulzy musí také zachovávat nízkou úroveň specifikovaného jitteru v průběhu času, a to navzdory změnám teploty a napětí.

Určitý jitter je způsobený šumem a zkreslením signálové cesty a lze jej částečně snížit pomocí technik přetaktování a přečasování. Jitter je však generován také zdrojem hodin, kterým je obvykle oscilátor. Takový jitter je způsoben různými fyzikálními jevy, včetně tepelného šumu, procesních nedokonalostí, šumu napájecího zdroje, jiného vnějšího šumu pronikajícího do hodinového oscilátoru, namáhání materiálu a mnoha dalších choulostivých faktorů. Bez ohledu na zdroj záleží na konstruktérovi, aby učinil maximum pro minimalizaci vlastního jitteru hodinového oscilátoru, protože takové nedostatky jsou nevratné.

Tento článek pojednává o problematice jitteru z různých úhlů pohledu. Poté představuje různé hodinové oscilátory od společnosti Abracon LLC a ukazuje, jakým způsobem lze jitter minimalizovat přizpůsobením výkonu hodinového oscilátoru dané aplikaci.

Základy jitteru

Hodinový jitter je odchylka náběžné hrany impulzu od její ideální polohy v čase. Tento jitter ovlivňuje přesnost časování a přenosu datových signálů, kterému hodinový signál udává takt, což vede k degradaci poměru signál/šum (SNR) v obvodech dekódování/demodulace přijímače nebo v jiných systémových integrovaných obvodech. To má za následek vyšší bitovou chybovost (BER), zvýšený počet opakovaných přenosů a sníženou efektivní datovou propustnost.

Vzhledem ke svému kritickému vlivu je hodinový jitter široce analyzován v systémech předávajících signál z vysílacího zdroje do přijímače přes kabely, konektory nebo desky plošných spojů. V závislosti na aplikaci může být charakterizován mnoha způsoby, včetně jitteru mezi cykly, periodového jitteru a dlouhodobého jitteru (obrázek 1).

Obrázek 1: pojem „jitter“ zahrnuje mnoho proměn časování včetně jitteru mezi cykly, periodového jitteru a dlouhodobého jitteru. (Zdroj obrázku: VLSI Universe)

• Jitter mezi cykly znamená změnu periody hodin ve dvou po sobě jdoucích cyklech a nesouvisí s kolísáním frekvence v čase.
• Periodový jitter je odchylka libovolné periody hodin od střední hodnoty její periody. Jedná se o rozdíl mezi ideální a skutečnou periodou hodin, který může být specifikován jako efektivní periodový jitter (RMS) nebo jitter mezi špičkami.
• Dlouhodobý jitter je odchylka náběžné hrany hodinových impulzů od její ideální polohy po delší období. Jedná se o určitou analogii s driftem.

Jitter může narušit časování používané jinými dílčími funkcemi, součástmi nebo systémy sloužícími k obnovení nízké bitové chybovosti dat (BER), nebo taktovacími součástmi, jako jsou paměťové prvky nebo procesory v synchronním systému. V diagramu oka na obrázku 2 je takové narušení znázorněno jako rozšíření bodu křížení v bitovém časování.

Obrázek 2: v diagramu oka je jitter znázorněn jako rozšíření kritického dělicího bodu časování v datovém toku. (Zdroj obrázku: Kevin K. Gifford/Univ. v Coloradu)

Pro dosažení optimálního dekódování datového toku u sériových datových vedení se obvody na přijímacím konci musí pokusit obnovit vlastní hodinové impulzy. Pro dosažení tohoto cíle se musí synchronizovat se zdrojovými hodinami, často pomocí smyčky fázového závěsu (PLL). Jitter ovlivňuje schopnost systému provést tuto synchronizaci přesně, což narušuje jeho schopnost obnovovat nízkou bitovou chybovost dat (BER).

Všimněte si, že jitter lze měřit v časové i frekvenční doméně, z nichž obě představují rovný pohled na stejný jev. Fázový šum je znázornění šumového spektra okolo signálu oscilátoru ve frekvenční doméně, zatímco jitter je měřítkem přesnosti časování periody oscilátoru v časové doméně.

Měření jitteru lze vyjádřit několika způsoby. Obvykle se uvádí pomocí časových jednotek, například „jitter o délce 10 pikosekund“ (ps). Efektivní hodnota fázového jitteru je parametr v časové doméně, který je odvozen od měření fázového šumu (frekvenční doména). Jitter bývá někdy také označován jako fázový jitter, což může být závádějící, stále se však jedná o parametr jitteru v časové doméně.

Se zvyšováním provozní frekvence vedení a jeho taktování (hodin) z několika desítek MHz na frekvence řádu stovek MHz a vyšší přípustný jitter na straně zdroje hodin klesá na přibližně hodnotu 100 fs nebo nižší. Tyto frekvence platí pro optické moduly, cloud computing, sítě a vysokorychlostní Ethernet, což jsou všechny funkce a aplikace vyžadující nosnou frekvenci mezi 100 a 212/215 MHz a přenosovou rychlost až 400 Gbps.

Správa krystalu

Nejběžnějším způsobem vytvoření stabilního, konzistentního a přesného frekvenčního hodinového signálu je použití křemenného krystalového oscilátoru. Krystal je řízen souvisejícím obvodem oscilátoru. Existuje mnoho takových skupin obvodů, z nichž každá má různé kompromisy. Krystaly se v této roli používají od 30. let 20. století pro bezdrátovou rádiovou komunikaci ve středofrekvenčních (300 kHz až 3 MHz) a vysokofrekvenčních (3 až 30 MHz) RF pásmech.

Jednou z nejrozšířenějších koncepcí generování hodin s nízkým jitterem je použití jedné z mnoha variant architektur založených na fázovém závěsu (PLL). Například obvody skupin AX5, resp. AX7 ClearClock™ od společnosti Abracon dodávané v pouzdrech 5 × 3,2 mm, resp. 5 × 7 mm používají vyspělou technologii fázového závěru (PLL) pro dosažení mimořádně kvalitního provozu s nízkým jitterem (obrázek 3).

Obrázek 3: hodinové oscilátory AX5 a AX7 od společnosti Abracon používají jednu z mnoha konstrukcí založenou na fázovém závěsu (PLL), avšak s jemnými vylepšeními na minimalizaci jitteru. (Zdroj obrázku: Abracon)

Společně s pracovní frekvencí a konstrukcí oscilátoru je míra jitteru ovlivněna fyzickou velikostí křemenného krystalu v jádru oscilátoru. Vzhledem k tomu, že se velikost tohoto krystalu zmenšuje, zajištění vysoké kvality RMS jitteru je stále náročnější.

Pro řešení taktování v pásmu 100 až 200 MHz a v obvodech s menšími tvarovými faktory, než mají AX5 a AX7 založené na fázovém závěsu (PLL), je zapotřebí nová architektura oscilátoru. Tyto požadavky na menší velikosti jsou obvykle spojeny s nejnovější generací optických transceiverů a modulů. Existují čtyři zavedené způsoby návrhu hodinového oscilátoru v rozsahu 100 až 200 MHz:

1. Použití křemenného oscilátoru s invertovaným čistým krystalem mesa jako rezonančního prvku
2. Použití křemenného oscilátoru s čistým krystalem s třetím harmonickým tónem jako rezonančního prvku
3. Použití oscilátorové smyčky založené na čistém krystalu pod 50 MHz s třetí/základní harmonickou nebo teplotně kompenzovaného krystalového oscilátoru pod 50 MHz spojeného s IO fázového závěsu (PPL) v celočíselném nebo zlomkovém režimu
4. Použití oscilátorové smyčky založené na mikroelektromechanickém rezonátoru (MEMS) pod 50 MHz spojené s IO fázového závěsu (PPL) v celočíselném nebo zlomkovém režimu

Možnost 1 nenabízí nejlepší efektivní jitter a není ani cenově nejefektivnějším řešením. Možnost 3 je komplikovaná a má výkonnostní nedostatky, zatímco koncepce s MEMS rezonátorem v možnosti 4 nesplňuje primární výkonnostní kritéria maximálního efektivního jitteru 200 fs. Naproti tomu možnost 2 využívá čistý krystal s třetí harmonickou, který je optimálně navržený s ohledem na geometrii elektrod a optimalizaci úhlu řezu. Tato kombinace je optimální z hlediska nákladů, výkonnosti a velikosti.

Na základě této koncepce vyvinula společnost Abracon řešení „třetího harmonického tónu“ ClearClock (obrázek 4). Tyto obvody využívají tišší architekturu podporující vynikající výkonnost s mimořádně nízkým efektivním jitterem a extrémně vysokou energetickou účinností v miniaturních pouzdrech o velikosti 2,5 × 2,0 x 1,0 mm.

Obrázek 4: řešení „třetího harmonického tónu“ ClearClock od společnosti Abracon využívá tišší architekturu ke zlepšení celkové výkonnosti a energetické účinnosti. (Zdroj obrázku: Abracon)

V tomto schématu pečlivá konstrukce čistého krystalu s třetí harmonickou společně se správnou filtrací a „zachytáváním“ požadovaného nosného signálu zajišťuje vynikající kvalitu s nízkým efektivním jitterem na požadovaných nosných frekvencích.

Vzhledem k tomu, že tato architektura nepoužívá typickou koncepci fázového závěsu (PLL), nedochází ke zvyšovací konverzi. V důsledku toho není potřeba standardní zlomkové nebo celočíselné násobení fázového závěsu (PLL) a konečná výstupní frekvence má korelaci jedna ku jedné s rezonanční frekvencí křemenného krystalu s třetí harmonickou. Absence zlomkového nebo celočíselného násobení zjednodušuje návrh a umožňuje dosažení minimálního jitteru při nejmenší možné velikosti.

Specifikace a výkon ve skutečnosti

Hodinové oscilátory nejsou složeny jen z krystalu a jeho analogového obvodu. Zahrnují vyrovnávací paměť, která zajišťuje, aby výstupní zátěž oscilátoru a její krátkodobé a dlouhodobé změny neovlivňovaly výkon jednotky. Podporují také různé úrovně diferenciálního digitálního logického výstupu pro zajištění kompatibility obvodů. Tato kompatibilita odstraňuje potřebu externího integrovaného obvodu pro překlad na logické úrovni. Takový IO by zvyšovat náklady, půdorys a jitter.

Vzhledem k tomu, že hodinové oscilátory se používají v mnoha různých aplikacích s různými napětími na sběrnicích, musí být dodávány s různými napájecími napětími, např. +1,8 V, +2,5 V nebo +3,3 V, jakož i s vlastními hodnoty napětí v typickém rozsahu 2,25 V až 3,63 V. Musí být také k dispozici s různými možnostmi výstupního formátu, jako je nízkonapěťová pozitivní/pseudo emitorově vázaná logika (LVPECL) a nízkonapěťová diferenciální signalizace (LVDS), jakož i s dalšími formáty.

Pohled na dvě skupiny krystalových hodinových oscilátorů AK2A a AK3A ukazuje, čeho lze dosáhnout prostřednictvím hloubkového porozumění a integrace materiálů, konstrukce, architektury a testování. Tyto dvě skupiny jsou si podobné, přičemž jejich výrazné rozdíly spočívají ve velikosti a maximální frekvenci.

AK2A: Tato skupina krystalových oscilátorů je dodávána se jmenovitými frekvencemi 100 až 200 MHz a je dostupná s provozními napětími 2,5 V, 3,3 V a 2,25 až 3,63 V s diferenciální výstupní logikou LVPECL, LVDS a HCSL.

Všechny obvody této skupiny mají podobný výkon včetně nízkého efektivního jitteru. Například model AK2ADDF1-100 000T je obvod 100,00 MHz, 3,3 V s výstupy LVDS a efektivním jitterem 160,2 fs (obrázek 5). Tento obvod s vynikající teplotní frekvenční stabilitou lepší než ±15 částic na milion (ppm) je dodáván v pouzdru se šesti vývody pro povrchovou montáž (SMD) o rozměrech 2,5 × 2,0 × 1,0 mm.

Obrázek 5: jitter obvodu AK2ADDF1-100.000T, 3,3 V, 100 MHz s výstupy LVDS má hodnotu 160 fs. (Zdroj obrázku: Abracon)

S rostoucími taktovacími frekvencemi se však jitter musí snižovat, aby byl zachován výkon na úrovni systému. U LVDS oscilátoru AK2ADDF1-156.2500T 156,25 MHz klesne typický efektivní jitter na 83 fs.

AK3A: Obvody skupiny AK3A o půdorysu 3,2 × 2,5 × 1,0 mm jsou o mírně větší než obvody skupiny AK2A (obrázek 6). K dispozici jsou verze specifikované na frekvenci 212,5 MHz, což je o něco více než limit 200 MHz pro skupinu AK2A.

Obrázek 6: krystalové oscilátory AK3A (vpravo) jsou mírně delší a širší než oscilátory řady AK2A (vlevo); k dispozici jsou verze pro frekvence až 212,5 MHz, oproti 200 MHz u řady AK2A. (Zdroj obrázku: Abracon)

Celkové specifikace tohoto obvodu AK3A jsou podobné jako u odpovídajícího obvodu skupiny AK2A. Příkladem je LVDS oscilátor AK3ADDF1-156.2500T3 156,25 MHz vykazující typický efektivní jitter 81 fs, což je mírně lepší hodnota, než jakou má odpovídající obvod skupiny AK2A.

Jitter se u obou skupin liší v závislosti na pracovní frekvenci, pracovním napětí, velikosti pouzdra a volbě výstupů.

Další kritéria pro reálné situace

Hodinový oscilátor pracující podle specifikací pouze v den opuštění výroby však nestačí. Stejně jako je tomu u všech obvodů, zejména analogových a pasivních, jsou i tyto oscilátory v průběhu času vystaveny driftu v důsledku stárnutí materiálů, z nichž se skládá, a vnitřních namáhání.

Tato realita je závažná zejména pro vysoce výkonné hodinové oscilátory, protože neexistují žádné pohodlné nebo jednoduché metody, jak tento drift odstranit nebo kompenzovat přidáním softwaru nebo chytrých obvodů. Existuje však několik metod na zmírnění účinků tohoto driftu. Patří mezi ně dlouhé doby zahořování oscilátoru koncovým uživatelem pro urychlené stárnutí nebo použití teplotně stabilizovaného oscilátoru v termostatovaném pouzdru. První metoda je časově náročná a představuje problém pro dodavatelský řetězec, zatímco druhá je velká, nákladná a energeticky náročná.

Vzhledem k tomu, že stárnutí je kritickým parametrem, oscilátory skupiny ClearClock od společnosti Abracon nabízejí přísnou a komplexní frekvenční přesnost po celou dobu životnosti konečného produktu v rozsahu 10 až 20 let. Společnost Abracon po tuto dobu zaručuje dodržování frekvenční stability na úrovni lepší než ±50 ppm. Dosahuje toho pečlivým výběrem a výrobou krystalu třetí harmonické a jeho úpravou tak, aby splňoval stabilitu ±15 ppm při teplotě -20 °C až +70 °C a stabilitu ±25 ppm při teplotě -40 °C až +85 °C.

Inženýrství jako vždy znamená kompromisy. Obvody řady AK2A, resp. AK3A od společnosti Abracon poskytují v porovnání se svými předchůdci (Gen I AK2, resp. AX3) vyšší kvalitu z hlediska jitterového šumu díky použití oscilátoru ASIC nové generace (Gen II), čímž je zajištěn provoz s ultranízkým efektivním jitterem.

Tohoto zlepšení je dosaženo za cenu mírného zvýšení spotřeby energie. Maximální odběr proudu se zvyšuje z 50 mA pro Gen I na 60 mA pro Gen II, ačkoli nízkonapěťová zařízení spotřebují za provozu přibližně polovinu této hodnoty. Druhá generace oscilátorů ClearClock proto poskytuje ultra nízký efektivní jitter při zachování nízké spotřeby energie.

Závěr

Časovací oscilátory jsou srdcem datového vedení nebo taktovací funkce a jejich přesnost, jitter a stabilita jsou kritickými parametry pro dosažení požadované výkonnosti na systémové úrovni, včetně vysokého odstupu signál/šum (SNR) a nízké bitové chybovosti dat (BER). Vyšší taktovací frekvence lze dosáhnout pomocí inovativního výběru materiálů a architektur, které splňují přísné výkonové specifikace požadované průmyslem a jeho různými standardy. Oscilátory řady AK2A a AK3A od společnosti Abracon dodávané v pouzdrech SMD měřících jen několik milimetrů na každé straně vykazují jitter pod 100 fs v rozsahu 100 až 200 MHz.