Implémenter des générateurs d'horloge programmables hautes performances pour les data centers et les systèmes industriels

Pour prendre en charge les communications Ethernet et PCIe (Peripheral Component Interconnect Express), il est important d'avoir une temporisation précise. Cela peut s'avérer difficile lors de la conception de serveurs, de systèmes de stockage et de système industriels de mise en réseau ou embarqués. Il ne s'agit pas simplement d'ajouter un bus Ethernet ou PCIe. Une conception typique peut comporter plusieurs bus, et tous nécessitent une temporisation précise avec un minimum de gigue. Un système typique nécessite un mélange de bus de communication fonctionnant à diverses fréquences jusqu'à 650 mégahertz (MHz).

Il faut des solutions qui occupent le moins d'espace carte possible. Par ailleurs, les besoins en temporisation des communications Ethernet et PCIe sont différents, ce qui rend la conception plus délicate. Pour répondre à ces exigences, vous pouvez opter pour des circuits intégrés de générateurs d'horloge compacts et programmables, capables de fournir simultanément jusqu'à 12 horloges de référence pour les bus Ethernet et PCIe.

Cet article de blog aborde brièvement certains besoins de temporisation des bus Ethernet et PCIe, puis présente des solutions compactes de générateurs d'horloge programmables de Renesas qui prennent en charge les besoins de plusieurs bus PCIe et Ethernet simultanément. Il présente également des cartes d'évaluation permettant d'accélérer le développement de vos circuits de temporisation dans des serveurs, systèmes de stockage et systèmes industriels embarqués ou de mise en réseau.

Contrôler la gigue et réduire les EMI

Les technologies PCIe et Ethernet sont utilisées à différentes fins. Les applications PCIe incluent les communications de puce à puce sur une carte à circuit imprimé et les connexions à des cartes d'extension, tandis qu'Ethernet est utilisé pour les réseaux locaux (LAN), les réseaux de stockage (SAN) et autres applications similaires. Les différents environnements de fonctionnement impliquent des exigences différentes en ce qui concerne les circuits de temporisation.

L'atténuation de la gigue revêt une importance capitale dans les réseaux Ethernet. Par exemple, dans les réseaux Ethernet haute vitesse jusqu'à 650 MHz, la valeur efficace (RMS) de la gigue de phase doit être limitée à 150 femtosecondes (fs) maximum afin de garantir l'intégrité des signaux, la réduction des temps de propagation et un comportement prévisible.

Outre le contrôle de la gigue, les bus PCIe tirent parti de l'utilisation de la modulation à spectre étalé qui étale l'énergie de gigue sur une gamme de fréquences plus étendue, réduisant ainsi les interférences électromagnétiques (EMI). Le contrôle EMI diminue le besoin de blindage sur les circuits imprimés, ce qui réduit les coûts du système et accélère son intégration. Les générateurs VersaClock de Renesas permettent de contrôler l'ampleur de la modulation à spectre étalé afin d'optimiser les compromis en termes de coût et de performances qu'impliquent certaines applications.

En faire plus dans moins d'espace

Une solution de temporisation intégrée basée sur les générateurs VersaClock de Renesas permet d'en faire plus en occupant moins d'espace carte. Ces générateurs sont disponibles avec 8 ou 12 horloges indépendantes et offrent les fonctionnalités suivantes (Figure 1) :

• Gigue de phase de 169 fs RMS (10 kilohertz [kH] – 20 MHz, 156,25 MHz)
• Horloge commune (CC) PCIe Gen6 de 27 fs RMS
• Prise en charge du fonctionnement PCIe SRIS (référence séparée et étalement indépendant) et SRNS (référence séparée, pas d'étalement)
• Sorties de logique de commande du courant haute vitesse et basse consommation (LP-HCSL) et de signalisation différentielle basse tension (LVDS) de 1 kHz à 650 MHz

Figure 1 : Les générateurs d'horloge programmables VersaClock prennent en charge jusqu'à 8 horloges (colonne « 008A » à droite) ou jusqu'à 12 horloges (colonne « 012A »). (Source de l'image : Renesas)

Une approche traditionnelle de solution de temporisation avec 5 horloges indépendantes nécessite un circuit commun d'oscillateur à quartz qui occupe environ 3 millimètres (mm) x 3 mm d'espace carte, ainsi que 4 sous-oscillateurs qui occupent chacun environ 5 mm x 3 mm. Vous pouvez aussi utiliser un seul circuit intégré VersaClock comme le RC21008A qui occupe seulement 5 mm x 5 mm. Ce même circuit intégré peut prendre en charge jusqu'à huit sorties d'horloge, ce qui réduit davantage l'espace carte, le nombre de composants et le coût. Vous trouverez ci-dessous des fonctionnalités clés du modèle RC21008A, ainsi que celles de deux autres circuits intégrés de la gamme VersaClock 7 : le RC21008AQ et le RC21012A (Tableau 1).

Tableau 1 : Fonctionnalités clés de 3 générateurs d'horloge de la gamme VersaClock 7. L'astérisque (*) indique que les sorties sont configurables en mode différentiel ou LVCMOS. (Source du tableau : Renesas)

Atténuer la gigue

Les atténuateurs de gigue programmables RC31008A, RC31008AQ et RC31012A offrent des capacités de synchronisation réseau, y compris la norme JEDEC JESD204B/C pour la prise en charge de la synchronisation des convertisseurs sur des sorties asymétriques ou différentielles avec couplage CA ou CC, et la prise en charge d'Ethernet synchrone (SyncE) pour la synchronisation basée sur réseau. Comme les circuits intégrés de générateur d'horloge VersaClock, ces atténuateurs de gigue sont disponibles avec 8 ou 12 sorties, ce qui réduit la taille et le coût de la solution (Tableau 2).

Tableau 2 : Atténuateurs de gigue de la gamme VersaClock 7. L'astérisque (*) indique les sorties configurables en mode différentiel ou LVCMOS. (Données du tableau : Renesas)

Cartes d'évaluation

Pour accélérer le développement, Renesas propose une sélection de cartes d'évaluation, notamment la carte RC21008-EVB (Figure 2) et la carte RC21012-EVB, respectivement pour les conceptions de générateur d'horloge à 8 et 12 sorties, ainsi que les cartes d'évaluation RC31008-EVB et RC31012-EVB à utiliser respectivement pour les atténuateurs de gigue à 8 et 12 sorties. Ces cartes d'évaluation peuvent prendre en charge la génération d'horloge en mode synthétiseur pour une conformité PCIe et des performances à spectre étalé, et peuvent également prendre en charge le mode d'atténuation de gigue. Elles supportent des gammes de fréquences de l'entrée de référence de 1 kHz à 650 MHz en mode différentiel, et de 1 kHz à 200 MHz en mode asymétrique. Elles présentent une dissipation de puissance typique de moins de 1 watt (W) avec les spécifications de gigue suivantes :

• Gigue de phase de 150 fs RMS (12 kHz–20 MHz, entier)
• Gigue de phase de 200 fs RMS (12 kHz–20 MHz, fraction)

Figure 2 : Les cartes d'évaluation comme le modèle RC21008-EVB pour la série VersaClock 7 prennent en charge le développement de solutions à huit sorties. (Source de l'image : Renesas)

Conclusion

Comme illustré, les générateurs d'horloge et les atténuateurs de gigue VersaClock de Renesas peuvent être utilisés pour développer des solutions de temporisation compactes, hautes performances et à faible coût pour les bus PCIe et Ethernet dans diverses applications industrielles et de traitement des données. Pour vous aider à vous lancer, il existe des cartes d'évaluation qui permettent d'accélérer le processus de développement et de réduire les délais de mise sur le marché.