Utiliser des tampons d'horloge différentiels avec une gigue additive ultrafaible pour des architectures de temporisation précises

Les systèmes modernes sans fil, numériques à haute vitesse, industriels et embarqués dépendent d'horloges système précises, mais les architectures de temporisation de plus en plus complexes rendent difficile la distribution de signaux propres sans accumulation de gigue, ce qui augmente le bruit de phase RF (radiofréquence), réduit les marges de temporisation des interfaces et diminue la précision des mesures et des contrôles.

À mesure que les arbres d'horloge se développent pour prendre en charge des applications plus complexes avec des exigences de sortance plus élevées et de format d'entrée/sortie diverses, les concepteurs ont besoin de composants de distribution plus polyvalents, capables de maintenir la précision de temporisation nécessaire.

Cet article traite des défis auxquels sont confrontés les concepteurs d'architectures de distribution de temporisation de précision. Il présente ensuite les tampons d'horloge différentiels de Skyworks Solutions et montre comment ils peuvent être utilisés pour relever ces défis.

Comment une conception soignée permet de relever les défis posés par un arbre d'horloge

La conception de systèmes continue de se complexifier dans divers domaines d'application, ce qui pose aux concepteurs des défis de plus en plus importants pour fournir avec précision des signaux d'horloge de référence sur des réseaux de circuits plus vastes, sans compromettre les performances ni augmenter les coûts. Par exemple, dans les applications de réseau et de data centers au niveau de l'entreprise, des arbres de distribution d'horloge robustes doivent prendre en charge les structures de commutation, la synchronisation multi-domaine et la conversion d'horloge entre les sous-systèmes. Dans les systèmes informatiques utilisant des interconnexions à haut débit telles que PCI Express, la fiabilité des performances dépend du respect de marges de temporisation strictes. Dans les systèmes industriels et embarqués, la précision des signaux d'horloge est essentielle pour l'acquisition de données et les boucles de contrôle.

Dans chacune de ces applications, les tampons d'horloge jouent un rôle central dans la propagation de l'horloge de référence à travers l'arbre d'horloge. Ce faisant, ils sont censés fonctionner dans de multiples formats de signalisation et domaines de tension tout en minimisant la gigue additive, qui correspond à la gigue incrémentielle générée par un tampon d'horloge à chaque étape de l'arbre d'horloge. La gigue additive est influencée par des facteurs tels que la vitesse de balayage, le format de sortie, la tension d'alimentation et les caractéristiques de performance du tampon d'horloge.

Vitesse de balayage : Bien qu'un tampon d'horloge idéal commute à un seuil de tension constant, le seuil de commutation des dispositifs réels peut varier dans une certaine plage (Figure 1). Plus la vitesse de balayage d'entrée est lente, plus il faut de temps au signal pour atteindre le seuil réel avant que le tampon ne commute, ce qui induit une gigue additive dans la sortie.

Figure 1 : La vitesse de balayage d'entrée influe sur la gigue additive en affectant la durée pendant laquelle un signal reste dans la zone de seuil de commutation du tampon. (Source de l'image : Skyworks)

Format de sortie : Les différentes familles logiques présentent des niveaux variables de gigue additive, car elles pilotent des signaux présentant une excursion de tension, une vitesse de montée et un comportement de terminaison différents. Par rapport aux familles logiques utilisant des formats de signalisation différentielle à basse tension (LVDS) avec des excursions plus faibles ou des vitesses plus lentes, les familles logiques telles que la logique positive à couplage d'émetteur à basse tension (LVPECL), avec des excursions plus grandes et des vitesses plus rapides, franchissent plus rapidement la zone de seuil du récepteur. Cela réduit la sensibilité aux légères variations du bruit ou des conditions d'alimentation pendant la transition. Le type de terminaison et la topologie de l'étage de sortie influencent également l'uniformité de la transition d'un signal sous charge, ce qui contribue aux différences de comportement de la gigue entre les familles logiques.

Tension d'alimentation : La tension d'alimentation affecte la gigue additive car les variations sur le rail d'alimentation peuvent modifier les seuils de commutation internes des circuits du tampon et altérer momentanément la temporisation effective des fronts lorsque le dispositif régénère l'horloge d'entrée. Lorsque le bruit d'alimentation module ces seuils, même légèrement, le front d'horloge peut franchir le seuil plus tôt ou plus tard que prévu, ce qui entraîne une incertitude supplémentaire au niveau de la temporisation. Bien entendu, cet effet est plus prononcé avec des vitesses d'entrée plus lentes ou des familles logiques qui génèrent des excursions de tension plus faibles, où le signal ne dépasse que marginalement le seuil de commutation.

Caractéristiques de performance du tampon d'horloge : Les caractéristiques du tampon d'horloge déterminent en fin de compte son efficacité à gérer les facteurs qui influencent la gigue additive dans un arbre d'horloge.

Comment les tampons d'horloge différentiels facilitent la précision de temporisation

Alors que les exigences des systèmes se durcissent, les tampons d'horloge SKY535xx de Skyworks offrent à la fois une gigue additive ultrafaible et la prise en charge de différentes familles logiques requises dans les architectures de temporisation de précision. Leurs performances et leur flexibilité répondent aux exigences d'un large éventail d'applications, notamment les systèmes PCIe Express Gen1 à Gen7, les réseaux à haute vitesse, les systèmes industriels et embarqués soumis à des contraintes de temps, la conversion de format de domaines d'horloge, ainsi que la synchronisation dans les applications sans fil et d'instrumentation sensibles au temps.

L'étage d'entrée flexible de ces dispositifs comporte un multiplexeur 3:1 prenant en charge deux entrées universelles de n'importe quel format (CLK0, CLK1) et une entrée pour quartz (XA). Leur étage de sortie comprend deux bancs de sorties d'horloge (Banc A et Banc B) qui prennent en charge un total de 10 sorties différentielles dans le SKY53510, huit dans le SKY53580 et quatre dans le SKY53540.

En outre, les dispositifs SKY535xx fournissent des broches d'alimentation distinctes pour la logique centrale (VDD), la sortie de référence (REFOUT), le circuit d'attaque d'horloge (VDDOC) et chaque banc de sortie (VDDOA, VDDOB) (Figure 2). Ils intègrent également des régulateurs LDO à faible chute de tension qui contribuent à maintenir un rejet élevé de l'alimentation, tout en simplifiant la conception grâce à la réduction du nombre de composants externes nécessaires pour prendre en charge un fonctionnement à faible gigue.

Figure 2 : Les dispositifs SKY535xx prennent en charge des configurations d'arbre d'horloge complexes, notamment un multiplexeur d'entrée 3:1 et deux bancs de sortie indépendants, ce qui permet une distribution d'horloge à faible gigue sur plusieurs formats et tensions. (Source de l'image : Skyworks)

Afin d'offrir une flexibilité optimale sur plusieurs familles logiques et rails d'alimentation, les deux entrées universelles de la famille SKY535xx acceptent une large gamme de formats d'horloge et de plages de tensions largement utilisés sur CLK0 et CLK1. Ces formats comprennent LVPECL, LVDS, LVDS réduit (S-LVDS), logique à pilotage de courant à haute vitesse (HCSL), logique en mode courant (CML), logique à terminaison série et dérivation (SSTL), logique d'émetteur-récepteur à haute vitesse (HSTL) et CMOS basse tension à couplage CA (LVCMOS) à 1,8 V, 2,5 V ou 3,3 V.

Conçus pour fonctionner indépendamment à partir de sources dédiées de 1,8 V, 2,5 V ou 3,3 V, les deux bancs de sortie des dispositifs SKY535xx peuvent être programmés pour générer une sortie LVPECL, LVDS, S-LVDS, HCSL ou haute impédance (Hi-Z) à l'aide des broches de commande de format de signal de sortie SFOUTA et SFOUTB, respectivement pour les bancs de sortie A et B (Figure 3).

Figure 3 : Les broches de commande dédiées au format du signal de sortie (SFOUTx) permettent une sélection indépendante du format du signal de sortie pour chacun des deux bancs de sortie du dispositif SKY535xx. (Source de l'image : Skyworks)

Conçus pour une distribution d'horloge hautes performances, les dispositifs SKY535xx prennent en charge un fonctionnement à haute fréquence pour chaque format de sortie, y compris le courant continu (CC) jusqu'à 3,1 gigahertz (GHz) pour LVPECL, CC à 3 GHz pour LVDS et CC à 800 MHz pour HCSL. En même temps, ils présentent une gigue additive ultrafaible dans tous les formats. Par exemple, ces dispositifs présentent une gigue additive de seulement 35 femtosecondes (fs) RMS (typique) et 47 fs RMS (maximale) pour une horloge de 156,25 mégahertz (MHz) au format LVPECL, mesurée avec une largeur de bande d'intégration de 12 kilohertz (kHz) à 20 MHz (Figure 4). Ils affichent des performances similaires dans d'autres formats de sortie, avec seulement une légère augmentation de la gigue à des fréquences plus basses.

Figure 4 : Les dispositifs SKY535xx présentent une gigue additive ultrafaible sur l'ensemble de leurs formats logiques de sortie, avec seulement une légère augmentation de la gigue à des fréquences plus basses. (Source de l'image : Skyworks)

Alliant performances et flexibilité, les dispositifs SKY535xx de Skyworks sont particulièrement efficaces pour prendre en charge des architectures de temporisation complexes qui nécessitent la coexistence de plusieurs domaines d'horloge, normes de signalisation et niveaux de tension, sans compromettre les performances de gigue. Leur sortance évolutive permet l'extension de l'arbre d'horloge sans nécessiter de dispositifs supplémentaires qui pourraient introduire une gigue additive supplémentaire ou une incertitude de temporisation et augmenter le coût et la complexité de la conception. De plus, grâce à la prise en charge de plusieurs formats et niveaux de sortie, un seul dispositif SKY535xx peut desservir des points d'extrémité hétérogènes, ce qui simplifie la conception et réduit le nombre de dispositifs tampons requis.

Afin de garantir la pureté des signaux d'horloge dans les réseaux de distribution étendus, l'étage de sortie REFOUT de la gamme SKY535xx intègre un échantillonnage synchrone de la référence d'activation de la sortie (OE_REF), garantissant que la sortie REFOUT ne commence à commuter qu'à des limites d'horloge définies. Ces fonctionnalités contribuent à stabiliser le comportement de temporisation en aval en évitant les impulsions incorrectement formées qui pourraient autrement conduire à une détection erronée des fronts ou à des transitions parasites, ce qui se traduirait par des transitions ambiguës ou incomplètes dans la logique en aval.

Mise en œuvre de solutions de distribution d'horloge à gigue ultrafaible

Pour obtenir les performances nominales en matière de gigue additive, Skyworks recommande de faire fonctionner ces dispositifs avec une vitesse de balayage différentielle de 3,0 V par nanoseconde (V/ns) et de 1,0 V/ns pour les formats asymétriques. Comme indiqué précédemment, la gigue additive peut augmenter à mesure que la vitesse de balayage diminue avec n'importe quel tampon d'horloge. Avec ces dispositifs, cependant, les concepteurs peuvent utiliser l'entrée pour quartz intégrée (XA) pour réduire la gigue additive dans les conceptions de distribution d'horloge qui fonctionnent à des fréquences plus lentes ou à des amplitudes plus faibles, ce qui réduit la vitesse de balayage. Une comparaison de la gigue additive résultant du pilotage de l'entrée CLK0 ou XA avec une onde sinusoïdale asymétrique montre que l'entrée pour quartz XA peut présenter une gigue réduite (Figure 5).

Figure 5 : À des fréquences et des amplitudes d'entrée plus faibles, le pilotage de l'entrée XA avec une onde sinusoïdale asymétrique permet d'obtenir une gigue additive plus faible que le pilotage de l'entrée CLK0 ou CLK1 avec le même signal. (Source de l'image : Skyworks)

Comme mentionné précédemment, la vitesse de balayage ne représente qu'un des multiples facteurs qui influent sur la gigue dans un arbre d'horloge. Par conséquent, la mise en œuvre réussie de solutions complexes de distribution d'horloge dépend d'une évaluation minutieuse des configurations proposées et de la mesure des performances.

À cette fin, la carte d'évaluation SKY53510-EVB de Skyworks sert à la fois de plateforme d'évaluation et de conception de référence pour caractériser les performances des dispositifs et valider les pratiques de mise en œuvre. Conçue pour être facile à utiliser, cette carte ne nécessite aucune configuration de logiciels et dispose à la place de plusieurs cavaliers et commutateurs pour configurer un dispositif SKY53510 intégré à 10 sorties (Figure 6).

Figure 6 : La carte d'évaluation SKY53510-EVB offre un accès complet aux broches du tampon d'horloge SKY53510 via un ensemble de cavaliers et de commutateurs, ce qui simplifie l'évaluation de différentes configurations de fonctionnement du tampon d'horloge. (Source de l'image : Skyworks)

Les concepteurs alimentent la carte en connectant un adaptateur secteur mural, un câble USB ou une source externe de 5 V_CC. Des cavaliers distincts configurent indépendamment VDD, VDDOA, VDDOB et VDDOC pour un fonctionnement à 1,8 V, 2,5 V ou 3,3 V, et permettent l'utilisation des quatre régulateurs LDO embarqués dédiés ou d'une source d'alimentation externe contournant les LDO. Les broches CLK0 et CLK1 du dispositif sont accessibles via des connecteurs subminiatures version A (SMA), prenant en charge des horloges différentielles ou asymétriques.

Les concepteurs peuvent également piloter l'entrée XA du SKY53510 en utilisant le quartz intégré de 54 MHz ou une horloge externe. Les bancs de sortie A et B peuvent chacun être configurés indépendamment pour LVPECL, LVDS, S-LVDS, HCSL ou Hi-Z à l'aide d'un commutateur DIP. Chaque banc comprend une tension d'alimentation sélectionnable permettant de prendre en charge la translation de niveau et la distribution d'horloge à format mixte.

La section d'entrée configurable de la carte permet aux concepteurs de comparer le comportement des entrées différentielles sur CLK0 et CLK1 avec le pilotage par quartz sur XA, d'évaluer l'impact d'une terminaison CA et CC appropriée pour différentes familles logiques, et d'évaluer comment la vitesse de balayage d'entrée influence la gigue additive. La carte comprend également des réseaux de terminaison de référence pour les sorties LVPECL, LVDS, S-LVDS et HCSL, fournissant des exemples concrets pour préserver la qualité des fronts et minimiser la gigue dans les configurations de production.

La carte comporte des pistes d'étalonnage CAL_IN et CAL_OUT dont la longueur et la géométrie correspondent exactement aux chemins d'entrée et de sortie, ce qui permet de mesurer avec précision les paramètres de temps de propagation et de déphasage entre sorties qui sous-tendent les performances de la distribution d'horloge multi-domaine.

Conclusion

Les architectures de temporisation nécessaires aux applications hautes performances obligent de plus en plus les concepteurs à distribuer des horloges de référence propres dans plusieurs domaines et formats de signalisation. Les tampons d'horloge différentiels SKY535xx de Skyworks relèvent ces défis grâce à leur gigue additive ultrafaible et à leurs options d'entrée et de sortie flexibles.