Värinän vaikutusten ymmärtäminen ja minimointi suurnopeuslinkeissä

Kello-oskillaattorit mahdollistavat modernien piirien ajoituksen tahdistamalla järjestelmän komponentit. Kun järjestelmänopeudet kasvavat satoihin megahertseihin (MHz) ja tätäkin korkeammiksi, näiden kellojen täytyy olla nopeampia ja niiden on tarjottava erittäin alhainen värinä, tyypillisesti alle 100 femtosekuntia (fs), jotta järjestelmä voisi säilyä suorituskykyisenä. Värinän on myös pysyttävä spesifikaatiossa määritetyissä alhaisissa arvoissa myös laitteen ikääntyessä lämpötila- ja jännitevaihteluista huolimatta.

Signaalipolun kohina ja vääristymät aiheuttavat jonkin verran värinää, ja sitä voidaan jossain määrin vähentää uudelleenkellotus- ja uudelleenajastustekniikoilla. Värinää aiheuttaa kuitenkin myös kellolähde, joka on yleensä oskillaattori. Tämä johtuu erilaisista fyysisistä ilmiöistä, kuten lämpökohinasta, prosessin epätäydellisyyksistä, virtalähteen kohinasta, muusta kello-oskillaattoriin pääsevästä ulkoisesta kohinasta, materiaalirasituksista ja monista muista hienon hienoista tekijöistä. Suunnittelijan on tehtävä värinän lähteestä riippumatta kaikkensa luontaisen kellovärinän minimoimiseksi, sillä virheitä ei voida korjata.

Tässä artikkelissa käsitellään värinäkysymyksiä eri näkökulmista. Siinä esitellään sen jälkeen erilaisia Abracon LLC -yrityksen kello-oskillaattoreita ja osoitetaan, miten värinä voidaan minimoida sovittamalla kello-oskillaattorin suorituskyky sovelluksen mukaan.

Värinän perusteet

Kellovärinä tarkoittaa kellon reunan ajallista poikkeamaa sen ihanteellisesta sijainnista. Tämä värinä vaikuttaa kellosignaalin tahdittamien datasignaalien lähetyksen ajoitustarkkuuteen, mikä johtaa signaali-kohinasuhteen (SNR) heikkenemiseen vastaanottimen dekoodaus-/demodulaatiopiirissä tai järjestelmän muissa mikropiireissä. Se aiheuttaa korkeamman bittivirhesuhteen (BER), uudelleenlähetysten lisääntymisen ja alhaisemman tehollisen tiedonsiirtonopeuden.

Kellovärinää on analysoitu sen kriittisyyden vuoksi paljon kaikissa sellaisissa järjestelmissä, joissa signaali kulkee lähettävästä signaalilähteestä vastaanottimeen kaapeleiden, liittimien tai piirilevyjen kautta. Värinää voidaan tarkastella sovelluksesta riippuen monella tapaa, kuten syklittäisenä, jaksottaisena ja pitkäaikaisena värinänä (kuva 1).

Kuva 1: Käsite ”värinä” kattaa monia ajoitusvariaatioita, kuten syklittäisen, jaksottaisen ja pitkäaikaisen värinän. (Kuvan lähde: VLSI Universe)

• Syklittäinen värinä merkitsee kellojaksossa tapahtuvaa muutosta kahden peräkkäisen syklin aikana, eikä se liity ajan myötä tapahtuvaan taajuusvaihteluun.
• Jaksottainen värinä on minkä tahansa kellojakson poikkeama sen keskimääräisestä jaksosta. Se on ideaalisen ja todellisen kellojakson välinen ero, ja se voidaan määrittää joko tehollisarvollisena (RMS) tai huippujen välisenä jaksottaisena värinänä.
• Pitkäaikainen värinä on kellon reunan poikkeama sen ihanteellisesta sijainnista pidemmän ajanjakson aikana. Se on tavallaan verrattavissa ryömintään.

Värinä voi häiritä muiden osatoimintojen, komponenttien tai järjestelmien käyttämää ajastusta, joita käytetään datan palauttamiseksi alhaisella bittivirhesuhteella, tai tahdistuskomponenttien, kuten synkronisen järjestelmän muistielementtien tai prosessoreiden ajastusta. Värinä on nähtävissä kuvan 2 silmäkuviossa bittiajoituksen siirtymäpisteen levenemisenä.

Kuva 2: Silmäkuviossa värinä näkyy datavirrassa kriittisen ajoituksen siirtymäpisteen leviämisenä. (Kuvan lähde: Kevin K. Gifford/Coloradon yliopisto)

Sarjadatalinkeissä vastaanottopuolen piirin täytyy yrittää palauttaa oma kellotahtinsa, jotta datavirran dekoodaus olisi optimaalista. Piirin täytyy sitä varten synkronoitua ja lukittua lähdekelloon, yleensä vaihelukittua silmukkaa (PLL) käyttämällä. Värinä heikentää järjestelmän kykyä tehdä tämä tarkasti ja se heikentää sen kykyä lukea dataa alhaisella bittivirhesuhteella.

Huomaa, että värinää voidaan mitata sekä aika- että taajuustasossa. Molemmat ovat yhtä päteviä näkökulmia samaan ilmiöön. Vaihekohina on taajuustason perspektiivi kohinaspektristä oskillaattorisignaalin ympärillä, kun taas värinä on aikatason mitta oskillaattorijakson ajoituksen tarkkuudesta.

Värinämittaukset voidaan ilmaista useilla eri tavoilla. Niiden ilmaisuun käytetään yleisesti aikayksiköitä, kuten ”10 pikosekunnin värinä” (ps). Tehollisarvollinen (RMS) vaihevärinä on aikatason parametri, joka saadaan vaihekohinan mittauksesta (taajuustaso). Värinään viitataan joskus myös nimellä vaihevärinä, mikä voi olla hämmentävää, mutta se on silti aikatason värinäparametri.

Kun linkkien toimintataajuudet ja kellot nopeutuvat muutamasta kymmenestä megahertsistä satoihin megahertseihin ja enemmän, kellolähteen sallittu värinä laskee noin arvoon 100 fs tai sen alle. Näitä taajuuksia käytetään optisissa moduuleissa, pilvilaskennassa, tietoverkoissa ja huippunopeassa Ethernetissä. Näissä vaaditaan kantoaaltotaajuutta 100–212/215 MHz ja jopa 400 gigabitin tiedonsiirtonopeutta sekunnissa (Gbit/s).

Kiteen hallinta

Yleisin tapa luoda stabiili, tasainen ja taajuudelta tarkka kellosignaali on käyttää kvartsikideoskillaattoria. Kide tarvitsee oskillaattoripiirin. Tällaisia piirituoteperheitä on monia, ja niistä kuhunkin liittyy omat erilaiset kompromissinsa. Kiteitä on käytetty tässä roolissa 1930-luvulta lähtien langattomaan radioviestintään keskitaajuus- (300 kilohertsiä (kHz) – 3 MHz) ja korkeataajuusalueilla (3–30 MHz).

Yksi paljon käytetty lähestymistapa alhaisen värinätason kellojen luontiin on käyttää jotakin vaihelukittuun silmukkaan (PLL) perustuvan arkkitehtuurin monista varianteista. Esimerkiksi Abraconin AX5- ja AX7 ClearClock™ -tuoteperheiden komponentit käyttävät 5 × 3,2 millimetrin (mm) ja 5 × 7 mm:n koteloita, ja niissä käytetään sofistikoitunutta vaihelukitun silmukan tekniikkaa, joka takaa erinomaisen alhaisen värinäsuorituskyvyn (kuva 3).

Kuva 3: Abracon AX5- ja AX7-kello-oskillaattoreissa käytetään yhtä monista vaihelukittuun silmukkaan perustuvista ratkaisuista, mutta niihin on tehty hienon hienoja parannuksia värinän minimoimiseksi. (Kuvan lähde: Abracon)

Toimintataajuuden ja oskillaattorirakenteen ohella värinäsuorituskykyyn vaikuttaa myös oskillaattorin ytimessä olevan kvartsikiteen fyysinen koko. Mitä pienempi tämä kide on, sitä haastavampaa on tuottaa ylivoimainen RMS-värinäsuorituskyky.

Taajuusalueen 100–200 MHz kellotusratkaisuja ja PLL-pohjaisia AX5- ja AX7-laitteita pienikokoisempia ratkaisuja varten tarvitaan uusi oskillaattoriarkkitehtuuri. Nämä vaatimukset pienemmästä koosta liittyvät tyypillisesti uusimman sukupolven optisiin lähetin-vastaanottimiin ja moduuleihin. On olemassa neljä vakiintunutta tapaa suunnitella kello-oskillaattori 100–200 MHz:n alueelle:

1. kvartsioskillaattorin käyttö, jossa on resonaattorielementtinä käänteinen mesakvartsiaihio
2. kvartsioskillaattorin käyttö, jossa on resonaattorielementtinä kolmannen ylävärähtelyn kvartsiaihio
3. alle 50 MHz:n kolmannen ylävärähtelyn/perusvärähtelyn kvartsiaihioon tai alle 50 MHz:n lämpötilakompensoituun kideoskillaattoriin perustuvan oskillaattorisilmukan käyttö, joka on yhdistetty kokonaisluku- tai murtolukumuotoiseen PLL-mikropiiriin
4. alle 50 MHz:n mikroelektromekaanisiin järjestelmiin (MEMS) perustuvan resonaattoripohjaisen oskillaattorisilmukan käyttö, joka on yhdistetty kokonaisluku- tai murtolukumuotoiseen PLL-mikropiiriin.

Vaihtoehto 1 ei tarjoa parasta RMS-värinäsuorituskykyä eikä se ole kustannustehokkain ratkaisu. Vaihtoehto 3 on monimutkainen ja siinä on suorituskykyyn liittyviä puutteita, kun taas vaihtoehdon 4 MEMS-resonaattorikäytäntö ei täytä ensisijaista suorituskykyvaatimusta – enintään 200 fs:n RMS-värinää. Vaihtoehdossa 2 puolestaan käytetään optimaalisesti suunniteltua kolmannen ylävärähtelyn kvartsiaihiota ja siinä on otettu huomioon elektrodien geometria ja leikkauskulman optimointi. Tämä yhdistelmä on optimaalinen kustannusten, suorituskyvyn ja koon kannalta.

Abracon kehitti tätä lähestymistapaa käyttäen ”kolmannen ylävärähtelyn” ClearClock-ratkaisut (kuva 4). Näissä laitteissa käytetään hiljaisempaa arkkitehtuuria, joka mahdollistaa ylivoimaisen, erittäin alhaisen RMS-värinäsuorituskyvyn ja äärimmäisen energiatehokkuuden niinkin pienissä miniatyyrikoteloissa kuin 2,5 × 2,0 × 1,0 mm.

Kuva 4: Abraconin ClearClock-ratkaisussa käytetään hiljaisempaa arkkitehtuuria yleisen suorituskyvyn ja energiatehokkuuden parantamiseksi. (Kuvan lähde: Abracon)

Tässä järjestelmässä kolmannen ylävärähtelyn kideaihion huolellinen suunnittelu sekä halutun kantoaaltosignaalin asianmukainen suodatus ja ”vangitseminen” takaavat erinomaisen RMS-värinäsuorituskyvyn halutuilla kantoaaltotaajuuksilla.

Tässä arkkitehtuurissa ei käytetä vaihelukituille silmukoille tyypillistä lähestymistapaa, joten ylöspäin muuntamista ei tapahdu. Näin ollen vaihelukituille silmukoille yleiset kertolaskut murto- tai kokonaisluvulla jäävät pois, ja lopullinen lähtötaajuus korreloi yksi yhteen kolmannen ylävärähtelyn kvartsikiteen resonanssitaajuuden kanssa. Kertolaskua murto- tai kokonaisluvulla ei tarvita, mikä yksinkertaistaa suunnittelua ja mahdollistaa minimaalisen värinän mahdollisimman pienessä koossa.

Spesifikaatiot ja todellinen suorituskyky

Kello-oskillaattorit ovat paljon muutakin kuin pelkkä kide ja sen analoginen piiri. Niiden ominaisuuksiin kuuluu myös puskurointi, jolla varmistetaan, etteivät oskillaattorin lähtökuorma ja sen lyhyen ja pitkän aikavälin vaihtelut vaikuta laitteen suorituskykyyn. Ne tukevat myös erilaisia differentiaalisia digitaalisen logiikan lähtötasoja piiriyhteensopivuuden varmistamiseksi. Tämä yhteensopivuus poistaa muuntomikropiirin tarpeen ulkoista logiikkatasoa varten. Tällainen mikropiiri lisäisi kustannuksia, tilantarvetta ja värinää.

Koska kello-oskillaattoreita käytetään niin monissa erilaisissa sovelluksissa eri jännitetasoilla, niitä on tarjottava erilaisilla syöttöjännitteillä, kuten +1,8 volttia, +2,5 volttia tai +3,3 volttia, sekä räätälöidyillä arvoilla, jotka tyypillisesti vaihtelevat 2,25–3,63 voltin välillä. Lisäksi niitä täytyy olla saatavana erilaisilla lähtömuotovaihtoehdoilla, kuten LVPECL (Low-Voltage Positive/Pseudo-Emitter-Coupled Logic) ja LVDS (Low-Voltage Differential Signaling), sekä muilla muodoilla.

Kahden kellokideoskillaattoriperheen, AK2A ja AK3A, tarkastelu osoittaa, mitä materiaalien, rakenteen, arkkitehtuurin ja testauksen sofistikoituneella ymmärtämisellä ja integroinnilla voidaan saavuttaa. Nämä kaksi perhettä ovat samankaltaisia ja niiden suurimmat erot ovat koossa ja maksimitaajuudessa.

AK2A-tuoteperhe: Tätä kideoskillaattoriperhettä tarjotaan nimellistaajuuksilla 100–200 MHz, ja se on saatavana 2,5 voltin, 3,3 voltin ja 2,25–3,63 voltin käyttöjännitteillä LVPECL-, LVDS- ja HCSL-differentiaalilähtölogiikalla.

Tuoteperheen kaikilla jäsenillä on sama suorituskyky, sekä sama alhainen RMS-värinä. Esimerkiksi kideoskillaattori AK2ADDF1-100.000T on LVDS-lähdöillä varustettu 100,00 MHz:n ja 3,3 voltin laite, jonka RMS-värinä on 160,2 fs (kuva 5). Sen taajuusvakavuus on erinomainen, parempi kuin ±15 miljoonasosaa (ppm) kaikissa lämpötiloissa, ja se toimitetaan kuusijalkaisessa pintaliitoskotelossa (SMD), jonka mitat ovat 2,5 × 2,0 × 1,0 mm.

Kuva 5: AK2ADDF1-100.000T-kideoskillaattorin värinä on 160 fs. Se on LVDS-lähdöillä varustettu 3,3 voltin ja 100 MHz:n laite. (Kuvan lähde: Abracon)

Kellotaajuuksien kasvaessa värinän täytyy kuitenkin vähentyä, jotta järjestelmä voisi pysyä suorituskykyisenä. 156,25 MHz:n LVDS-oskillaattorissa AK2ADDF1-156.2500T tyypillinen RMS-värinä on vain 83 fs.

AK3A-tuoteperhe: AK3A-tuoteperheen laitteet ovat hieman AK2A-tuoteperhettä suurempia. Niiden koko on 3,2 × 2,5 × 1,0 mm (kuva 6). Vaihtoehtoja on saatavilla taajuusarvoon 212,5 MHz asti, joka on jonkin verran korkeampi kuin AK2A-tuoteperheen korkein arvo 200 MHz.

Kuva 6: AK3A-kideoskillaattorit (oikealla) ovat hieman pidempiä ja leveämpiä kuin AK2A-sarjan (vasemmalla) mallit; AK3A-sarjan enimmäistaajuus on jopa 212,5 MHz ja AK2A-sarjan 200 MHz. (Kuvan lähde: Abracon)

Tämän AK3A-laitteen yleiset spesifikaatiot ovat samanlaiset kuin AK2A-tuoteperheen vastaavalla vaihtoehdolla. Esimerkiksi AK3ADDF1-156.2500T3 on 156,25 MHz:n LVDS-oskillaattori, jonka tyypillinen RMS-värinä on 81 fs, mikä on hieman vastaavaa AK2A-tuoteperheen laitetta parempi arvo.

Värinä vaihtelee kummassakin perheessä käyttötaajuuden, käyttöjännitteen, kotelokoon ja lähtövaihtoehdon mukaan.

Lisää käytännön näkökohtia

Ei riitä, että kello-oskillaattori täyttää vaatimukset vain sinä päivänä, kun se lähtee tehtaalta. Kuten kaikissa komponenteissa, erityisesti analogisissa ja passiivisissa, näissäkin oskillaattoreissa voi esiintyä ajan mittaan ryömintää materiaalien vanhenemisen ja sisäisten rasitusten vuoksi.

Tämä tosiasia on erityisen haastava erittäin suorituskykyisille kello-oskillaattoreille, koska olemassa ei ole käteviä tai yksinkertaisia tapoja korjata tai kompensoida tätä ryömintää lisäämällä ohjelmistoja tai älykkäitä piirejä. Ryöminnän vaikutusten vähentämiseen on kuitenkin olemassa joitakin keinoja. Niihin kuuluvat loppukäyttäjän suorittama pitkäaikainen sisäänajo oskillaattorin vanhenemisen nopeuttamiseksi tai lämpötilaltaan stabilisoidun oskillaattorin käyttö uuniohjatussa kotelossa. Ensimmäinen vaatii paljon aikaa ja asettaa haasteita toimitusketjulle, kun taas jälkimmäinen on kookas, kallis ja paljon virtaa vaativa menetelmä.

Koska vanheneminen on kriittinen parametri, Abraconin ClearClock-tuoteperhe tarjoaa tiukan, kaiken kattavan taajuustarkkuuden lopputuotteen koko elinkaarelle, jonka pituus on 10–20 vuotta. Abracon takaa, että taajuusvakavuus on ±50 ppm tai parempi tällä ajanjaksolla. Tämä saavutetaan valitsemalla ja valmistamalla kolmannen ylävärähtelyn kide huolellisesti ja käsittelemällä se siten, että sen stabiilisuus on ±15 ppm lämpötila-alueella −20 ... +70 °C ja ±25 ppm alueella −40 ... +85 °C.

Suunnitteluun liittyy kompromisseja kuten aina. Abraconin AK2A- ja AK3A-sarjat tarjoavat paremman värinä-kohina-suorituskyvyn edeltäviin sarjoihin (Gen I AK2 ja AX3) verrattuna, koska niissä käytetään seuraavan sukupolven (Gen II) sovelluskohtaista oskillaattorimikropiiriä (ASIC), joka takaa erittäin alhaisen RMS-värinäsuorituskyvyn.

Tämä parannus saavutetaan virrankulutuksen lievän kasvun kustannuksella. Enimmäisvirrankulutus kasvaa Gen I -mallin 50 milliampeerista (mA) Gen II -mallin arvoon 60 mA, vaikka pienjännitemallit kuluttavat vain noin puolet tästä arvosta. Toisen sukupolven ClearClock-oskillaattorit tarjoavat siten erittäin alhaisen RMS-värinän alhaisella virrankulutuksella.

Yhteenveto

Kello-oskillaattorit ovat datalinkin ja kellotustoiminnon ydin. Niiden tarkkuus, värinä ja stabiilisuus ovat kriittisiä parametreja vaaditun järjestelmätason suorituskyvyn, kuten korkean signaali-kohinasuhteen (SNR) ja alhaisen bittivirhesuhteen (BER), saavuttamiseksi. Korkeampia kellotaajuuksia voidaan saavuttaa innovatiivisilla materiaalivalinnoilla ja arkkitehtuureilla, jotka täyttävät teollisuuden ja sen eri standardien tiukat suorituskykyvaatimukset. Abraconin AK2A- ja AK3A-sarjan tarjoaa alle 100 fs:n värinän 100–200 MHz:n taajuusalueella SMD-koteloissa, joiden kunkin sivun pituus on vain muutama millimetri.