A remegés nagy sebességű kapcsolatokra gyakorolt hatásának megértése és minimálisra csökkentése

Az órajel-oszcillátorok a korszerű áramkörök időzítéséhez szükséges, hogy ezzel a hasonlattal éljek, szívritmust szolgáltatják, amely beállítja a rendszerelemek sebességét. Ahogy a rendszer sebessége több száz megahertzre (MHz) vagy a fölé nő, ezeknek az órajeleknek mind gyorsabbnak kell lenniük, és a rendszer teljesítményének fenntartásához nagyon kis, jellemzően 100 femtomásodperc (vagy femtoszekundum, fs) alatti remegéssel (jitter vagy dzsitter néven is előfordul a magyar szakirodalomban) kell működniük. Az órajeleknek a hőmérséklet- és feszültségváltozások ellenére is meg kell tartaniuk a kis remegési értékeket.

A remegés egy részét a jelútvonalon fellépő zaj és a torzítás okozza, és ez némileg csökkenthető az órajel és az időzítések megváltoztatására szolgáló technikák használatával. Némi remegést azonban előállít maga az órajelforrás is, amely általában egy oszcillátor. Ennek okai különböző fizikai jelenségek, többek között a termikus zaj, a folyamat tökéletlenségei, a tápegység zaja, az órajel-oszcillátorba jutó egyéb külső zajok, az anyagokban jelen lévő mechanikai feszültségek és sok más aprócska tényező. A tervező feladata, hogy a forrástól függetlenül mindent megtegyen a rendszer felépítéséből eredő órajelremegés minimálisra csökkentése érdekében, mert a tervezésből eredő fogyatékosságokat később nem lehet megszüntetni.

Ez a cikk a remegés jelentette problémákat tárgyalja különböző nézőpontokból. Ezután bemutatja az Abracon LLC cég különböző órajel-oszcillátorait, valamint azt, hogy hogyan lehet a remegést minimálisra csökkenteni az órajel-oszcillátor működésének az adott készülékhez igazításával.

A remegés – alapismeretek

Az órajelremegés az órajel élének az időbeli ideális helyzettől való eltérése. Ez a remegés befolyásolja az adatjelek órajel által ütemezett átvitelének időzítési pontosságát, ami a jel–zaj viszony (SNR) romlásához vezet a jelet fogadó dekódoló/demoduláló áramköröknél vagy más rendszer-IC-knél. Ez magasabb bithibaarányt (BER, bit error rate), több adatújraküldést és rosszabb hatékony adatátviteli teljesítményt eredményez.

Az órajelremegést – kritikus voltára tekintettel – kiterjedten elemzik azokban a rendszerekben, amelyek kábeleken, csatlakozókon vagy áramköri lapokon keresztül továbbítják a jelet valamilyen jelküldő forrástól egy vevőhöz. Az órajelremegés felhasználási területtől függően sokféleképpen jellemezhető, beleértve a ciklusonkénti, a periódus- és a hosszú távú remegést (1. ábra).

1. ábra: A remegés megnevezés számos időzítési változatot foglal magában, beleértve a ciklusonkénti remegést, a periódusremegést és a hosszú távú remegést (ábra: VLSI Universe)

• A ciklusonkénti remegés az órajel-periódus két egymást követő cikluson keresztül vizsgált változását jelenti, és nincs összefüggésben a frekvencia időbeli változásával.
• A periódusremegés bármely órajel-periódusnak a periódus középértékéhez viszonyított eltérése. Ez az ideális és a tényleges órajel-periódusok közötti különbség, és megadható a periódusremegés négyzetes középértékeként (RMS) vagy a csúcsértéktől csúcsértékig tartó periódusremegésként (a periódusremegés amplitúdójaként).
• A hosszú távú remegés az órajel élének az ideális helyzettől hosszabb idő alatt történő eltérése. Ez némileg analóg az elvándorlással.

A remegés ronthatja a kis bithibaarányú adat-visszaállítás eléréséhez igénybe vett egyéb részfunkciók, összetevők vagy rendszerek által használt időzítést, illetve szinkronizált rendszerekben az olyan alkatrészek órajellel történő ütemezését, mint a memóriák és a processzorok. Ez a 2. ábrán látható szemábrán (vagy más néven szemdiagramon) a bitidőzítés metszéspontjának kiszélesedéseként látható.

2. ábra: A szemábrán a remegés az adatfolyam kritikus időzítési átmenete metszéspontjának kiszélesedéseként jelenik meg (ábra: Kevin K. Gifford/Coloradói Egyetem)

Soros adatkapcsolatok esetén a fogadóoldali áramkörnek az optimális adatfolyam-dekódoláshoz meg kell próbálnia helyreállítani a saját órajelét. Ehhez szinkronizálnia kell magát a forrás órajeléhez, és rá kell arra állnia, gyakran egy fáziszárt hurok (PLL, phase locked loop) segítségével. A remegés befolyásolja a rendszernek azt a képességét, hogy ezt pontosan elvégezze, ami veszélyezteti az adatok kis bithibaaránnyal történő visszaállításának képességét.

Itt jegyezném meg, hogy a remegés idő- és frekvenciatartományban is mérhető, és mindkettő ugyanannak a jelenségnek két egyformán érvényes nézőpontja. A fáziszaj az oszcillátorjel körüli zajspektrum frekvenciatartománybeli vetülete, míg a remegés az oszcillátorperiódus időbeli pontosságának időtartománybeli mérőszáma.

A remegésértékek többféleképpen is kifejezhetők. Általában olyan időegységeket használunk erre, mint például „10 pikoszekundumos (ps) remegés”. A fázisremegés négyzetes középértéke egy időtartománybeli paraméter, amely a fáziszaj (frekvenciatartománybeli) méréséből származik. A remegést néha fázisremegésként is emlegetik, ami zavaró lehet, de ez még mindig az időtartománybeli remegés paraméter.

Ahogy az összekapcsolt eszközök működési frekvenciája és órajele néhány tíz MHz-ről több száz MHz-re vagy még magasabbra nő, az órajelforrás megengedett remegése 100 fs körüli vagy annál kisebb értékre csökken. Ezek a frekvenciák az optikai modulokra, a felhőalapú számítástechnikára, a hálózatokra és a nagy sebességű Ethernetre vonatkoznak, amelyek mind olyan funkciók és felhasználási területek, amelyek 100 MHz és 212/215 MHz közötti vivőfrekvenciát és akár 400 Gb/s (gigabit/másodperc) adatátviteli sebességet is igényelnek.

A kristály kezelése

A stabil, egyenletes, pontos frekvenciájú órajel létrehozására a legelterjedtebben kvarckristályos oszcillátorokat használnak. A kristályt egy hozzá kapcsolódó oszcillátor-áramkör egészíti ki. Számos ilyen áramkörcsalád létezik, mindegyik különböző kompromisszumokkal. A rádiótechnikában már az 1930-as évek óta használják erre a feladatra a kristályokat a középfrekvenciás (300 kHz és 3 MHz közötti) és a nagyfrekvenciás (3–30 MHz közötti) hullámsávban.

A kis remegésű órajelek előállítására elterjedten használják többek között a PLL-alapú áramkörök számos változatának valamelyikét. Az Abracon AX5 és AX7 ClearClock™ termékcsaládba tartozó eszközök például 5 mm × 3,2 mm, illetve 5 mm × 7 mm méretű tokozással készülnek, és kifinomult PLL technikát használnak a rendkívül kis remegésszint eléréséhez (3. ábra).

3. ábra: Az Abracon AX5 és AX7 órajel-oszcillátorok a számos PLL-alapú áramkör egyikét használják, de a remegés minimálisra csökkentése érdekében apróbb módosításokkal (ábra: Abracon)

A remegés mértékét a működési frekvencia és az oszcillátor kialakítása mellett az oszcillátor lelkét jelentő kvarckristály fizikai mérete is befolyásolja. Ahogy a kristály mérete csökken, úgy válik egyre nagyobb kihívássá a rendkívül kis négyzetes középértékű remegés biztosítása.

A 100-200 MHz-es sávban és a PLL-alapú AX5 és AX7 órajel-oszcillátoroknál kisebb méretű órajel-előállító eszközök esetében újfajta oszcillátorkialakításra van szükség. Ezek a kisebb méretekre vonatkozó követelmények jellemzően a legújabb generációs optikai adó-vevő eszközökhöz és modulokhoz kapcsolódnak. A 100-200 MHz közötti frekvenciájú órajel-oszcillátor tervezésének négy bevett módja van:

1. Kvarcoszcillátor használata, amelyben egy szimmetrikusan kivájt üregű (angolul inverted mesa blank) kvarckristály szolgál rezonátorelemként.
2. Kvarcoszcillátor használata, amelyben egy harmadik felharmonikusra hangolt (3OT, third-overtone) kvarckristály szolgál rezonátorelemként.
3. 50 MHz alatti, rezonátorelemként egy harmadik felharmonikusra vagy az alapharmonikusra hangolt kvarckristályt használó oszcillátor-hurokáramkör használata vagy 50 MHz alatti, hőmérséklet-helyesbítéssel ellátott kristályoszcillátorra épülő, egészszám- vagy törtszám-frekvenciájú PLL IC-vel párosított oszcillátor-hurokáramkör használata.
4. 50 MHz alatti, mikro-elektromechanikus (MEMS) rezonátorra épülő, egészszám- vagy törtszám-frekvenciájú PLL IC-vel párosított oszcillátor-hurokáramkör használata.

Az 1. lehetőség nem a legkisebb négyzetes középértékű remegést eredményezi, és nem is a legköltségkímélőbb megoldás. A 3. lehetőség meglehetősen bonyolult, és teljesítménybeli hiányosságokkal is jár, míg a 4. lehetőség, a MEMS-rezonátoros megoldás nem felel meg a maximum 200 fs időtartamú négyzetes középértékű remegést előíró legfőbb feltételnek. Ezzel szemben a 2. lehetőség egy optimálisan megtervezett, harmadik felharmonikusra hangolt kvarckristályt használ, figyelembe veszi az elektródák geometriáját, és optimális vágási szöggel van kialakítva. Ez a kombináció a költségek, a teljesítmény és a méret szempontjából is optimális.

Ezt a megoldást használva az Abracon kifejlesztett néhány harmadik felharmonikusra hangolt kvarckristályra épülő ClearClock órajel-oszcillátort (4. ábra). Ezek az eszközök kisebb zajú áramköri felépítést használnak, hogy kiváló, rendkívül kis négyzetes középértékű remegést és kiemelkedően jó hatásfokot tegyenek lehetővé nagyon kicsi, mindössze 2,5 mm × 2,0 mm × 1,0 mm méretű tokozásban.

4. ábra: Az Abracon harmadik felharmonikusra hangolt kvarckristályra (3rd overtone crystal) épülő ClearClock órajel-oszcillátora kisebb zajú áramköri felépítést használ az általános teljesítmény és a hatásfok javítása érdekében (ábra: Abracon)

Ebben az áramkörben a harmadik felharmonikusra hangolt kvarckristály gondos kialakítása, valamint a kívánt vivőjel megfelelő szűrése és „megfogása” (trapping) biztosítja a rendkívül kis négyzetes középértékű remegést a kívánt vivőfrekvenciákon.

Ez az áramköri felépítés nem használ jellegzetes PLL-áramkört, így nincs alapfrekvencia-többszörözés. Következésképpen nincs szükség a PLL esetében megszokott, törtszámmal vagy egész számmal való szorzásra, és a végső kimenőfrekvencia egy az egyben azonos a harmadik felharmonikusra hangolt kvarckristály rezonanciafrekvenciájával. Az, hogy nincs szükség törtszámmal vagy egész számmal való szorzásra, leegyszerűsíti a tervezést, és lehetővé teszi a minimális remegés elérését a lehető legkisebb méretben.

Jellemzők és működés a valóságban

Az órajel-oszcillátor több, mint pusztán egy kristály és az ahhoz kapcsolódó analóg áramkör. Az egyik megoldandó feladat a pufferelés, amely azt garantálja, hogy az oszcillátor kimeneti terhelése, valamint annak rövid és hosszú távú változásai ne befolyásolják az oszcillátor teljesítményét. A másik a különböző különbségi digitális logikai kimeneti szintek támogatása az áramköri kompatibilitás érdekében. Ezzel a kompatibilitással kiküszöbölhető a külső logikaiszint-fordító IC szükségessége. Egy ilyen IC növelné a költségeket, a helyigényt és a remegést.

Mivel az órajel-oszcillátorokat nagyon sokféle, különböző sínfeszültségű készülékben használják, többféle tápfeszültséggel kell kínálni őket, szabványosakkal, mint például +1,8 V, +2,5 V vagy +3,3 V, valamint egyedi értékekkel, amelyek jellemzően 2,25 V és 3,63 V között mozognak. Különböző kimeneti formátumokkal is beszerezhetőeknek kell lenniük, amilyen például az LVPECL (low-voltage positive/pseudo emitter-coupled logic, kisfeszültségű pozitív tápfeszültségű emittercsatolt logika vagy más néven kisfeszültségű hamis (pszeudo-) emittercsatolt logika) és az LVDS (low-voltage differential signaling, kisfeszültségű különbségi jelátvitel), valamint egyéb kimeneti formátumok.

A kristályos órajel-oszcillátorok két termékcsaládjának, az AK2A és az AK3A típusnak a vizsgálata megmutatja, hogy mit lehet elérni az anyagok, a tervezés, az áramköri felépítés és a tesztelés megértésével és kifinomult integrált áramkörré alakításával. A két termékcsalád hasonlít egymásra, a legnagyobb különbség köztük a méret és a csúcsfrekvencia.

Az AK2A termékcsalád névleges frekvenciája 100–200 MHz, tápfeszültsége 2,5 V vagy 3,3 V, illetve 2,25 V és 3,63 V között állítható, és LVPECL, LVDS és HCSL (high-speed current steering logic, nagy sebességű áramvezérlési logika) különbségi kimeneti logikát kínálnak.

A termékcsalád minden tagja hasonló teljesítményt nyújt, beleértve a kis négyzetes középértékű remegést is. Az AK2ADDF1-100.000T például egy 100,00 MHz-es, 3,3 V-os eszköz LVDS kimenettel és 160,2 fs négyzetes középértékű remegéssel (5. ábra). A frekvenciastabilitása kiváló, hőmérséklet-ingadozás esetén pontosabb mint ±15 ppm (milliomod rész), és hatlábú, felületszerelt, 2,5 mm × 2,0 mm × 1,0 mm méretű tokozásban kerül forgalomba.

5. ábra: A grafikonon az látható, hogy a 3,3 V-os, 100 MHz-es, LVDS kimenetű AK2ADDF1-100.000T esetében a remegés 160 fs (ábra: Abracon)

Az órajel-frekvencia növekedésével azonban a rendszerszintű teljesítmény fenntartásához a remegésnek csökkennie kell. Az AK2ADDF1-156.2500T, egy 156,25 MHz-es LVDS oszcillátor esetében a jellemző négyzetes középértékű remegés 83 fs-ra csökken.

Az AK3A termékcsalád tagjai 3,2 mm × 2,5 mm × 1,0 mm méretű tokozásukkal valamivel nagyobbak, mint az AK2A termékcsalád tagjai (6. ábra). Az AK3A termékcsalád különféle változatai 212,5 MHz névleges frekvenciáig kaphatóak, ami valamivel magasabb az AK2A termékcsalád 200 MHz-es felső határértékénél.

6. ábra: Az AK3A (jobbra) kristályoszcillátorok valamivel hosszabbak és szélesebbek, mint az AK2A (balra) sorozat tagjai. Az AK2A 200 MHz-es legnagyobb frekvenciájával szemben az AK3A akár 212,5 MHz-es csúcsfrekvenciával is kapható (kép: Abracon)

Az AK3A oszcillátorok általános jellemzői hasonlóak az AK2A termékcsalád egyenértékű tagjainak jellemzőihez. Egy példa erre az AK3ADDF1-156.2500T3, egy 156,25 MHz-es LVDS oszcillátor, amelynek jellemző négyzetes középértékű remegése 81 fs, ami valamivel jobb, mint az AK2A család egyenértékű tagjáé.

A remegés mindkét termékcsalád esetében az üzemi frekvenciától, a tápfeszültségtől, a tokmérettől és a választott kimeneti formátumtól függően változik.

A való életből vett további szempontok

Nem elég, ha az órajel-oszcillátor csak azon a napon teljesít a megadott értékeknek megfelelően, amikor elhagyja a gyárat. Mint minden alkatrész, különösen az analóg és a passzív alkatrészek, ezek az oszcillátorok is ki vannak téve az idő múlásával bekövetkező munkapont-elvándorlásnak, ami az alkatrészeket alkotó anyagok öregedésének és a belső feszültségeknek tudható be.

Ez a tény különösen a nagyfrekvenciájú órajel-oszcillátorok számára jelent nagy kihívást, mivel nincs kényelmes vagy egyszerű módja annak, hogy ezt az elvándorlást szoftveres úton vagy okosáramkörökkel nullázzuk vagy helyesbítsük. Az elvándorlás hatásainak enyhítésére azonban van néhány módszer. Ezek közé tartoznak a végfelhasználó által az oszcillátoröregedés gyorsítása érdekében végzett hosszú beégetési időszakok, vagy a hőmérséklet-stabilizált oszcillátor kemencével szabályozott hőmérsékletű szekrényben való használata. Az előbbi időigényes, és gondot jelenthet az ellátási láncban, míg az utóbbi nagy, költséges és energiaigényes.

Felismerve, hogy az öregedés kritikus paraméter, az Abracon ClearClock termékcsaládja szigorú, mindenre kiterjedő frekvenciapontosságot ígér a végtermék teljes, 10–20 évre tervezett élettartama alatt. Az Abracon ezen időszak alatt garantálja a ±50 ppm-nél pontosabb frekvenciastabilitás megőrzését. Ezt a harmadik felharmonikusra hangolt kvarckristály gondos kiválasztásával és gyártásával, valamint a –20 °C és +70 °C között ±15 ppm, illetve –40 °C és +85 °C között ±25 ppm frekvenciastabilitás eléréséhez szükséges formálásával érik el.

Mint mindig, a mérnöki munka itt is a kompromisszumokról szól. Az Abracon AK2A és AK3A sorozat egy következő generációs (II. generációs, Gen II) oszcillátor-ASIC (alkalmazásspecifikus IC) használatával jobb remegés–zaj viszonyt nyújt az előző sorozathoz (I. generációs (Gen I) AK2 és AX3) képest, rendkívül kis négyzetes középértékű remegést kínálva ezzel.

Ezt a javulást a fogyasztás enyhe növekedése árán lehetett elérni. A legnagyobb áramfelvétel az I. generációra jellemző 50 mA-ről a II. generációs esetében 60 mA-re nőtt, igaz, a kisfeszültségű eszközök körülbelül ennek az áramerősségnek a felével működnek. A II. generációs ClearClock oszcillátorok ennek eredményeképpen rendkívül kis négyzetes középértékű remegést kínálnak, miközben a fogyasztásuk továbbra is alacsony marad.

Összegzés

Az órajel-oszcillátorok szolgáltatják az adatkapcsolatokhoz és az órajel-szolgáltatáshoz szükséges szívritmust, és pontosságuk, remegésük és stabilitásuk rendkívül fontos paraméter a kívánt rendszerszintű teljesítmény eléréséhez, beleértve a magas jel–zaj viszonyt és a kis bithibaarányt. A nagyobb órajel-frekvenciák olyan újszerű anyagválasztással és áramkör-kialakításokkal érhetők el, amelyek megfelelnek az ágazat és a különböző szabványok által a teljesítményre előírt szigorú megkötéseknek. A mindössze néhány milliméteres felületszerelt tokozásban kapható Abracon AK2A és AK3A sorozat remegése a 100 és 200 MHz közötti tartományban 100 fs alatti.