Comprendre et minimiser l'impact de la gigue sur les liaisons haut débit

Les oscillateurs d'horloge fournissent la temporisation des circuits modernes en cadençant les composants du système. Lorsque la vitesse des systèmes augmente jusqu'à plusieurs centaines de mégahertz (MHz), ces horloges doivent être plus rapides et fournir une très faible gigue, généralement inférieure à 100 femtosecondes (fs), pour maintenir les performances du système. Ces dispositifs doivent également conserver leurs spécifications de faible gigue au fil du temps, malgré les variations de température et de tension.

Une certaine gigue est induite par le bruit et la distorsion du trajet du signal, et elle peut être quelque peu réduite à l'aide de techniques de resynchronisation. Cependant, la gigue est également générée par la source d'horloge, qui est généralement un oscillateur. Cela est dû à divers phénomènes physiques, notamment le bruit thermique, les imperfections de processus, le bruit de l'alimentation, d'autres bruits externes pénétrant dans l'oscillateur d'horloge, les contraintes des matériaux et de nombreux autres facteurs subtils. Quelle que soit la source, il appartient au concepteur de faire tout son possible pour minimiser la gigue d'horloge inhérente, car les anomalies ne sont pas réversibles.

Cet article aborde les problèmes de gigue sous différents angles. Il présente différents oscillateurs d'horloge d'Abracon LLC et montre comment la gigue peut être minimisée en adaptant les performances de l'oscillateur d'horloge à l'application.

Principes de base de la gigue

La gigue d'horloge est l'écart d'un front d'horloge par rapport à sa position idéale dans le temps. Cette gigue affecte la précision de la temporisation et l'exactitude de la transmission des signaux de données cadencés par le signal d'horloge, conduisant à une dégradation du rapport signal/bruit (SNR) au niveau des circuits de décodage/démodulation du récepteur ou d'autres circuits intégrés du système. Cela se traduit par un taux d'erreur sur les bits (TEB) plus élevé, une augmentation des retransmissions et une réduction du débit de données effectif.

Compte tenu de son caractère critique, la gigue d'horloge est largement analysée dans les systèmes qui transmettent un signal d'une source émettrice à un récepteur via des câbles, des connecteurs ou des circuits imprimés. Selon l'application, elle peut être caractérisée de plusieurs manières, notamment la gigue cycle-à-cycle, la gigue périodique et la gigue à long terme (Figure 1).

Figure 1 : Le terme « gigue » englobe de nombreuses variations de temporisation, notamment la gigue cycle-à-cycle, la gigue périodique et la gigue à long terme. (Source de l'image : VLSI Universe)

• La gigue cycle-à-cycle signifie le changement de période d'horloge sur deux cycles consécutifs et n'est pas liée à la variation de fréquence dans le temps.
• La gigue périodique est l'écart de toute période d'horloge par rapport à sa période moyenne. Il s'agit de la différence entre la période d'horloge idéale et la période d'horloge réelle, et elle peut être spécifiée comme une gigue de période RMS ou une gigue de période crête-à-crête.
• La gigue à long terme est l'écart du front d'horloge par rapport à sa position idéale sur une période de temps plus longue. Elle est à peu près comparable à la dérive.

La gigue peut corrompre la temporisation utilisée par d'autres sous-fonctions, composants ou systèmes utilisés pour obtenir une récupération de données à faible TEB, ou cadencer des composants tels que des éléments de mémoire ou des processeurs dans un système synchrone. Dans le diagramme en œil de la Figure 2, cela se traduit par un élargissement du point de croisement dans la synchronisation des bits.

Figure 2 : Dans un diagramme en œil, la gigue est représentée comme un élargissement du point de croisement de synchronisation critique dans le flux de données. (Source de l'image : Kevin K. Gifford/Univ. du Colorado)

Pour les liaisons de données série, le circuit à l'extrémité réceptrice doit essayer de rétablir sa propre horloge pour un décodage optimal du flux de données. Pour ce faire, il doit se synchroniser et se verrouiller sur l'horloge source, souvent à l'aide d'une boucle à verrouillage de phase (PLL). La gigue affecte la capacité du système à effectuer cette opération avec précision, compromettant sa capacité à récupérer les données avec un faible TEB.

Notez que la gigue peut être mesurée à la fois dans les domaines temporel et fréquentiel ; les deux sont des perspectives valides du même phénomène. Le bruit de phase est une vue dans le domaine fréquentiel du spectre de bruit autour du signal de l'oscillateur, tandis que la gigue est une mesure dans le domaine temporel de la précision de la temporisation de la période de l'oscillateur.

Les mesures de gigue peuvent être exprimées de plusieurs manières. Elle est généralement exprimée en unités de temps telles que « gigue de 10 picosecondes » (ps). La gigue de phase RMS est un paramètre du domaine temporel dérivé de la mesure du bruit de phase (domaine fréquentiel). La gigue est parfois également appelée gigue de phase, ce qui peut prêter à confusion, mais il s'agit toujours du paramètre de gigue dans le domaine temporel.

À mesure que les fréquences de fonctionnement des liaisons et leurs horloges accélèrent de quelques dizaines de MHz à des centaines de MHz et plus, la gigue admissible sur la source d'horloge diminue à environ 100 fs ou moins. Ces fréquences s'appliquent aux modules optiques, au cloud computing, aux réseaux et à Ethernet haut débit, qui sont tous des fonctions et des applications exigeant une fréquence porteuse comprise entre 100 et 212/215 MHz et des débits de données jusqu'à 400 gigabits par seconde (Gbps).

Gestion du quartz

Le moyen le plus courant de créer un signal d'horloge stable, cohérent et précis en termes de fréquence consiste à utiliser un oscillateur à quartz. Un circuit d'oscillateur associé prend en charge le quartz. Il existe de nombreuses familles de circuits de ce type, chacune avec des compromis différents. Les quartz sont utilisés dans ce rôle depuis les années 1930 pour les communications radio sans fil dans les bandes RF moyenne fréquence (300 kilohertz (kHz) à 3 MHz) et haute fréquence (3 MHz à 30 MHz).

Une approche largement répandue pour générer des horloges à faible gigue consiste à utiliser l'une des nombreuses variantes d'architectures basées sur PLL. Par exemple, les dispositifs des familles ClearClock™ AX5 et AX7 d'Abracon sont disponibles respectivement en boîtiers de 5 millimètres (mm) × 3,2 mm et 5 mm × 7 mm, et utilisent une technologie PLL sophistiquée pour des performances de faible gigue supérieures (Figure 3).

Figure 3 : Les oscillateurs d'horloge AX5 et AX7 d'Abracon utilisent l'une des nombreuses conceptions basées sur PLL, mais avec des améliorations subtiles pour minimiser la gigue. (Source de l'image : Abracon)

Outre la fréquence de fonctionnement et la conception de l'oscillateur, les performances de gigue sont affectées par la taille physique du quartz au cœur de l'oscillateur. À mesure que la taille de ce quartz est réduite, il devient plus difficile de fournir des performances de gigue RMS supérieures.

Pour les solutions de synchronisation dans la bande de 100 MHz à 200 MHz, et dans les facteurs de forme plus petits que les dispositifs AX5 et AX7 basés sur PLL, une nouvelle architecture d'oscillateur est nécessaire. Ces exigences de formats plus compacts sont généralement associées aux modules et émetteurs-récepteurs optiques de dernière génération. Il existe quatre moyens établis de concevoir un oscillateur d'horloge dans la plage de 100 MHz à 200 MHz :

1. Utiliser un oscillateur à quartz avec découpe de quartz mesa inversée comme élément résonateur
2. Utiliser un oscillateur à quartz avec découpe de quartz à mode partiel 4 comme élément résonateur
3. Utiliser une boucle d'oscillateur basée sur une découpe de quartz à mode partiel 4/mode fondamental sub-50 MHz, ou un oscillateur à quartz à compensation de température sub-50 MHz, couplé à un circuit intégré PLL en mode entier ou fractionnaire
4. Utiliser une boucle d'oscillateur basée sur un résonateur MEMS (microsystème électromécanique) sub-50 MHz couplée à un circuit intégré PLL en mode entier ou fractionnaire

L'option 1 n'offre pas les meilleures performances de gigue RMS, ni la solution la plus rentable. L'option 3 est complexe et présente des défauts de performances, tandis que l'approche à résonateur MEMS de l'option 4 ne répond pas aux principaux critères de performances d'une gigue RMS maximum de 200 fs. En revanche, l'option 2 utilise une découpe de quartz à mode partiel 4 conçue de manière optimale en tenant compte de la géométrie des électrodes et de l'optimisation de l'angle de coupe. Cette combinaison est optimale en termes de coût, de performances et de taille.

En utilisant cette approche, Abracon a développé des solutions ClearClock « à mode partiel 4 » (Figure 4). Ces dispositifs utilisent une architecture plus silencieuse pour permettre de meilleures performances de gigue RMS ultrafaible et un rendement énergétique extrême dans des boîtiers miniatures mesurant seulement 2,5 mm × 2,0 mm x 1,0 mm.

Figure 4 : La solution ClearClock « à mode partiel 4 » d'Abracon utilise une architecture plus silencieuse pour améliorer les performances globales et le rendement énergétique. (Source de l'image : Abracon)

Dans ce schéma, une conception soignée de découpe de quartz à mode partiel 4, ainsi qu'un filtrage et un « piégeage » appropriés du signal porteur souhaité, garantissent des performances de gigue RMS exceptionnelles aux fréquences porteuses souhaitées.

Cette architecture n'utilisant pas une approche PLL typique, il n'y a donc pas de conversion ascendante. Par conséquent, il n'est pas nécessaire de recourir à une multiplication fractionnaire ou entière PLL standard, et la fréquence de sortie finale a une corrélation un-à-un avec la fréquence de résonance du quartz à mode partiel 4. L'absence de multiplication fractionnaire ou entière simplifie la conception et permet une gigue minimale dans le plus petit format possible.

Spécifications et performances dans la réalité

Les oscillateurs d'horloge sont plus qu'un simple quartz et son circuit analogique. Ils incluent une mise en tampon pour garantir que la charge de sortie de l'oscillateur et ses variations à court et à long terme n'affectent pas les performances de l'unité. Ils prennent également en charge divers niveaux de sortie logique numérique différentielle pour la compatibilité des circuits. Cette compatibilité élimine le recours à un circuit intégré de conversion de niveau logique externe. Un tel circuit intégré augmenterait le coût, l'empreinte et la gigue.

Comme les oscillateurs d'horloge sont utilisés dans de nombreuses applications diverses avec différentes tensions de rail, ils doivent être disponibles dans une variété de tensions d'alimentation telles que +1,8 volt (V), +2,5 V ou +3,3 V, ainsi que dans des valeurs personnalisées s'étendant typiquement de 2,25 V à 3,63 V. Ils doivent également être disponibles avec différentes options de format de sortie comme LVPECL et LVDS, ainsi que d'autres formats.

Un coup d'œil aux deux familles d'oscillateurs d'horloge à quartz, AK2A et AK3A, montre ce qu'il est possible d'accomplir grâce à une compréhension et une intégration sophistiquées des matériaux, de la conception, de l'architecture et des tests. Les deux familles sont similaires, leurs différences notables étant la taille et la fréquence maximum.

Famille AK2A : cette famille d'oscillateurs à quartz est proposée à des fréquences nominales de 100 MHz à 200 MHz et elle est disponible avec des tensions de fonctionnement de 2,5 V, 3,3 V, et de 2,25 V à 3,63 V avec logique de sortie différentielle HCSL, LVDS et LVPECL.

Tous les composants de cette famille affichent des performances similaires, y compris une faible gigue RMS. Par exemple, l'AK2ADDF1-100.000T est un dispositif de 100,00 MHz, 3,3 V avec des sorties LVDS et une gigue RMS de 160,2 fs (Figure 5). Sa stabilité de fréquence est excellente, supérieure à ±15 parties par million (ppm) sur la température, et il est fourni en boîtier à montage en surface (CMS) à six sorties mesurant 2,5 mm × 2,0 mm × 1,0 mm.

Figure 5 : La gigue est de 160 fs pour l'AK2ADDF1-100.000T, un dispositif de 3,3 V, 100 MHz avec des sorties LVDS. (Source de l'image : Abracon)

Cependant, à mesure que les fréquences d'horloge augmentent, la gigue doit diminuer pour maintenir les performances au niveau du système. Pour l'AK2ADDF1-156.2500T, un oscillateur LVDS de 156,25 MHz, la gigue RMS typique tombe à 83 fs.

Famille AK3A : les dispositifs de la famille AK3A sont légèrement plus grands que ceux de la famille AK2A avec une empreinte de 3,2 mm × 2,5 mm × 1,0 mm (Figure 6). Des versions sont disponibles et spécifiées jusqu'à 212,5 MHz, soit légèrement au-dessus de la limite de 200 MHz pour la famille AK2A.

Figure 6 : Les oscillateurs à quartz AK3A (à droite) sont légèrement plus longs et plus larges que ceux de la série AK2A (à gauche). Des versions sont disponibles pour des fréquences jusqu'à 212,5 MHz, contre 200 MHz pour l'AK2A. (Source de l'image : Abracon)

Les spécifications globales pour ce dispositif AK3A sont similaires à celles du composant correspondant de la famille AK2A. Un exemple est l'AK3ADDF1-156.2500T3, un oscillateur LVDS de 156,25 MHz qui a une gigue RMS typique de 81 fs, légèrement meilleure que celle du dispositif correspondant de la famille AK2A.

La gigue pour les deux familles varie en fonction de la fréquence de fonctionnement, de la tension de fonctionnement, de la taille du boîtier et du choix des sorties.

Autres considérations pratiques

Il ne suffit pas d'avoir un oscillateur d'horloge qui fonctionne conformément aux spécifications le jour où il quitte l'usine. Comme tous les composants, notamment les composants analogiques et passifs, ces oscillateurs sont sujets à une dérive au fil du temps en raison du vieillissement des matériaux utilisés et des contraintes internes.

Cette réalité constitue un défi pour les oscillateurs d'horloge hautes performances, car il n'existe aucun moyen pratique ou simple de corriger ou de compenser cette dérive en ajoutant un logiciel ou des circuits intelligents. Il existe cependant des moyens d'atténuer les effets de la dérive. Il s'agit notamment de longues périodes de déverminage par l'utilisateur final pour un vieillissement accéléré de l'oscillateur, ou de l'utilisation d'un oscillateur thermostabilisé dans une enceinte contrôlée par un four. La première méthode prend du temps et constitue un défi pour la chaîne d'approvisionnement, tandis que la seconde est importante, coûteuse et gourmande en énergie.

Reconnaissant que le vieillissement est un paramètre critique, la famille ClearClock d'Abracon offre une précision de fréquence stricte et globale sur toute la durée de vie du produit final, soit 10 à 20 ans. Abracon garantit une stabilité de fréquence supérieure à ±50 ppm sur cette période. Pour ce faire, le quartz à mode partiel 4 est soigneusement sélectionné et fabriqué, puis conditionné pour atteindre une stabilité de ±15 ppm entre -20°C et +70°C et une stabilité de ±25 ppm entre -40°C et +85°C.

Comme toujours, l'ingénierie est une question de compromis. Les séries AK2A et AK3A d'Abracon offrent des performances de bruit de gigue améliorées par rapport à leurs séries précédentes (Gen I AK2 et AX3, respectivement) en utilisant un circuit ASIC d'oscillateur nouvelle génération (Gen II), garantissant ainsi des performances de gigue RMS ultrafaibles.

Cette amélioration se fait au prix d'une légère augmentation de la consommation d'énergie. La consommation de courant maximum passe de 50 milliampères (mA) pour la Gen I à 60 mA pour la Gen II, les dispositifs basse tension consommant environ la moitié de cette valeur. Les oscillateurs ClearClock de deuxième génération offrent donc une gigue RMS ultrafaible tout en maintenant une basse consommation d'énergie.

Conclusion

Les oscillateurs de temporisation sont le cœur d'une liaison de données ou d'une fonction de cadencement, et leur précision, leur gigue et leur stabilité sont des paramètres essentiels pour atteindre les performances requises au niveau du système, notamment un SNR élevé et un faible TEB. Des fréquences d'horloge plus élevées peuvent être atteintes grâce à des sélections de matériaux et des architectures innovantes qui répondent aux spécifications de performances strictes exigées par l'industrie et ses différentes normes. Les séries AK2A et AK3A d'Abracon présentent une gigue inférieure à 100 fs dans la plage de 100 MHz à 200 MHz, dans des boîtiers CMS ne mesurant que quelques millimètres de côté.