הבנה ומזעור של ההשפעה של ריצוד על קישורים במהירות גבוהה

מתנדי שעון הם בלב התזמון של מעגלים מודרניים, שכן הם מכתיבים את הקצב לרכיבי המערכת. ככל שמהירויות המערכת עולות למאות מגה-הרץ (MHz) ויותר, שעונים אלה חייבים להיות מהירים יותר ולספק ריצוד נמוך ביותר, בדרך כלל מתחת ל-100 פמטו-שניות (fs), כדי לשמור על ביצועי המערכת. הם גם חייבים לשמור על מפרטי הריצוד הנמוכים שלהם לאורך זמן, למרות שינויים בטמפרטורה ובמתח.

ריצוד מסוים נגרם על ידי רעש ועיוותים של נתיב האותות, וניתן להפחית אותו במידת מה באמצעות טכניקות שינוי-שעון (Reclocking‏) ושינוי-תזמון (Retiming‏). עם זאת, ריצוד נוצר גם על ידי מקור השעון, שהוא בדרך כלל מתנד. הדבר נובע מתופעות פיזיקליות שונות, לרבות רעש תרמי, פגמים בתהליך, רעשי הספקת-הכוח, רעשים חיצוניים אחרים שנכנסים למתנד השעון, מאמצי חומרים וגורמים עדינים רבים אחרים. ללא קשר למקור, זה תלוי במתכנן לעשות הכול כדי למזער את ריצוד השעון המובנה, שכן הליקויים אינם הפיכים.

מאמר זה דן בנושאי ריצוד מנקודות מבט שונות. לאחר מכן הוא מציג מתנדי שעון שונים של Abracon LLC ומראה כיצד ניתן למזער את הריצוד על ידי תיאום ביצועי מתנד השעון ליישום.

יסודות הריצוד

ריצוד שעון הוא הסטייה של קצה שעון מהמיקום האידיאלי שלו על ציר הזמן. ריצוד זה משפיע על דיוק התזמון והדיוק של העברת אותות נתונים שאות השעון קוצב, ומוביל לירידה ביחס-האות-לרעש (SNR) במעגלי פענוח/דה-מודולציה של המקלט או של ICs‏ אחרים של המערכת. זה גורם לקצב שגיאות ביטים (BER) גבוה יותר, הגדלת כמות ההעברות החוזרות ולהפחתת תפוקת הנתונים האפקטיבית.

בהתחשב בקריטיות שלו, ריצוד השעון מנותח באופן נרחב במערכות המעבירות אותות ממקור השידור אל המקלט דרך כבלים, מחברים או מעגלים. בתלות ביישום, ניתן לאפיין אותו בדרכים רבות, כולל מחזור-למחזור, משך הריצוד וריצוד טווח-ארוך (איור 1).

איור 1: המונח "ריצוד" מקיף וריאציות תזמון רבות, כולל ריצוד מחזור-למחזור, משך הריצוד וריצוד טווח-ארוך. (מקור התמונה: VLSI Universe)

• ריצוד מחזור-למחזור משמעותו השינוי במחזור השעון על פני שני מחזורים עוקבים ואינו קשור לשינוי בתדר לאורך זמן.
• משך הריצוד הוא הסטייה של מחזור שעון כלשהו ביחס למחזור הממוצע שלו. זהו ההבדל בין מחזורי השעון האידיאליים והממשיים, וניתן לציין אותו כשורש-ממוצע-הריבועים (RMS) של ריצוד המחזור או כריצוד מחזור שיא-לשיא.
• ריצוד טווח-ארוך הוא הסטייה של קצה השעון ממיקומו האידיאלי על פני זמן מחזור ארוך יותר. במידה מסוימת זה אנלוגי לסחיפה.

ריצוד יכול לפגוע בתזמון המשמש תת-פונקציות, רכיבים או מערכות אחרות המשמשות להשגת שחזור נתונים עם BER נמוך, או רכיבי קצב כגון רכיבי זיכרון או מעבדים במערכת סינכרונית. זה נראה בתרשים ה"עין" באיור 2 כהרחבה של נקודת ההצלבה בתזמון הביטים.

איור 2: בתרשים "עין", ריצוד נתפס כהרחבה של נקודת ההצלבה הקריטית של התזמון בזרם הנתונים. (מקור התמונה: Kevin K. Gifford, אוניברסיטת קולורדו)

עבור קישורי נתונים טוריים, המעגל בקצה המקבל חייב לנסות להקים-מחדש שעון משלו עבור פענוח זרם נתונים אופטימלי. כדי לעשות זאת עליו להסתנכרן ולהינעל על שעון המקור, לעתים קרובות באמצעות חוג נעול פאזה (PLL). הריצוד משפיע על היכולת של המערכת לבצע זאת במדויק, ופוגע ביכולת שלה לשחזר את הנתונים עם BER נמוך.

שימו לב שניתן למדוד ריצוד הן במרחב הזמן והן במרחב התדר; שניהם נקודות מבט של אותה התופעה התקפות באותה מידה. רעש פאזה הוא מבט במרחב-התדר של ספקטרום הרעש סביב אות המתנד, בעוד שריצוד הוא מדד במרחב-הזמן של דיוק התזמון של מחזור המתנד.

מדידות ריצוד יכולות לבוא לידי ביטוי בכמה דרכים. נהוג לציין אותו באמצעות יחידות זמן כגון "ריצוד של 10 פיקו-שניות" (ps). ערך שורש ממוצע הריבועים (RMS‏) של ריצוד הפאזה הוא פרמטר במרחב-הזמן הנגזר ממדידות רעש הפאזה (מרחב התדר). הריצוד מכונה לפעמים גם ריצוד פאזה ועלול להיות מבלבל, אך זה עדיין פרמטר ריצוד במרחב-הזמן.

ככל שתדרי הפעולה של קישורים והשעונים שלהם עולים מכמה עשרות מגה-הרץ למאות מגה-הרץ ומעלה, הריצוד המותר במקור השעון פוחת לבערך fs‏ 100 או פחות. תדרים אלו חלים על מודולים אופטיים, מחשוב ענן, רשתות ו-Ethernet במהירות גבוהה, כולם פונקציות ויישומים הדורשים תדר נושא בין 100 ל-212/215 מגה-הרץ וקצבי נתונים של עד 400 גיגה-ביט לשנייה (Gbps).

ניהול הגביש

הדרך הנפוצה ביותר ליצירת אות שעון יציב, עקבי ובתדר מדויק היא להשתמש במתנד גביש קווארץ. מעגל מתנד קשור תומך בגביש. ישנן משפחות מעגלים רבות כאלה, שלכל אחת ישנן פשרות שונות. גבישים שימשו בתפקיד זה מאז שנות ה-30 עבור תקשורת רדיו אלחוטית בתדרים בינוניים (300 קילו-הרץ (kHz) עד 3 מגה-הרץ) וגבוהים (3 עד 30 מגה-הרץ).

גישה אחת בשימוש נרחב ליצירת שעונים עם ריצוד נמוך היא להשתמש באחת מהווריאציות הרבות של ארכיטקטורות מבוססות-PLL. לדוגמה, התקנים ממשפחות ™ClearClock‏ AX5‏ ו-AX7‏ של Abracon מגיעים במארזים של 3.2 × 5 מילימטר (מ"מ) ו-7 × 5 מ"מ, בהתאמה, ומשתמשים בטכנולוגיית PLL מתוחכמת עבור ביצועי ריצוד נמוך מעולים (איור 3).

איור 3: מתנדי השעון AX5 ו-AX7 של Abracon‏ משתמשים באחד מהתכנים הרבים מבוססי-PLL‏ אך עם שיפורים עדינים כדי למזער את הריצוד. (מקור התמונה: Abracon)

ביחד עם תדר הפעולה ותכן המתנד, ביצועי הריצוד מושפעים מהגודל הפיזי של גביש הקווארץ שבליבת המתנד. ככל שגודל גביש זה קטן יותר, זה הופך להיות מאתגר יותר לספק ביצועי ריצוד RMS מעולים.

עבור פתרונות שעון בפס-התדרים 100 עד 200 מגה-הרץ, ובגורמי צורה קטנים יותר בהתקני AX5 ו-AX7 מבוססי-PLL, יש צורך בארכיטקטורת מתנד חדשה. דרישות אלה עבור גדלים קטנים יותר משוייכות בדרך כלל למקמ"שים ולמודולים האופטיים מהדור-האחרון. ישנן ארבע דרכים מבוססות לתכנן מתנד שעון בתחום של 100 עד 200 מגה-הרץ:

1. שימוש במתנד קווארץ עם גוש קווארץ Mesa‏ מהופך כאלמנט התהודה
2. שימוש במתנד קווארץ עם גוש קווארץ Mesa‏ עם אוברטון-שלישי כאלמנט התהודה
3. שימוש בחוג מתנד על גוש קווארץ עם תדר-על אוברטון-שלישי/אופן-יסודי תת-MHz‏ 50‏, או מתנד גביש מקוזז-טמפרטורה תת-MHz‏ 50‏ המשודך עם IC‏ PLL‏ אופן-מספר שלם (Integer‎‏) או אופן-שבר
4. שימוש בחוג מתנד מבוסס-מהוד תת-MHz‏ 50‏ בטכנולוגיית MEMS‏ המשודך עם IC‏ PLL‏ אופן-מספר שלם (Integer‎‏) או אופן-שבר

אפשרות 1 אינה מציעה את הביצועים הטובים ביותר של ריצוד RMS, וגם אינה הפתרון היעיל והחסכוני ביותר. אפשרות 3 מסובכת ויש לה ליקויים בביצועים, בעוד שגישת התהודה בטכנולוגיית MEMS של אפשרות 4 אינה עומדת בקריטריוני הביצועים העיקריים של ריצוד RMS מקסימלי של fs‏ 200‏. לעומת זאת, אפשרות 2 משתמשת בגוש קווארץ עם אוברטון-שלישי המתוכנן באופן אופטימלי תוך התחשבות בגיאומטריה של האלקטרודות ובאופטימיזציה של זווית החיתוך. שילוב זה הוא אופטימלי מבחינת עלות, ביצועים וגודל.

באמצעות גישה זו, Abracon‏ פיתחה פתרונות ClearClock‏ "אוברטון-שלישי" (איור 4). התקנים אלו משתמשים בארכיטקטורה שקטה יותר כדי לאפשר ביצועי ריצוד RMS אולטרה-נמוך ויעילות אנרגטית מעולה במארזים זעירים בגודל של ‎2.5 × 2.0 x 1.0‏ מ"מ.

איור 4: פתרון ClearClock "אוברטון-שלישי" של Abracon משתמש בארכיטקטורה שקטה יותר כדי לשפר את הביצועים הכוללים ואת נצילות האנרגיה. (מקור התמונה: Abracon)

בשיטה זו, תכנון קפדני של גוש הגביש עם אוברטון-שלישי, ביחד עם סינון ו"לכידה" נאותים של אות הגל הנושא הרצוי, מבטיחים ביצועי ריצוד RMS יוצאי-דופן בתדרי הגל הנושא הרצויים.

ארכיטקטורה זו אינה משתמשת בגישת PLL טיפוסית, ולכן אין המרה-מעלה. כתוצאה מכך, אין צורך בהכפלת שברים או מספרים שלמים PLL סטנדרטית, ולתדר היציאה הסופי יש קורלציה של אחד-לאחד עם תדר התהודה של גביש הקווארץ עם אוברטון-שלישי. היעדר הכפלה של שברים או מספרים שלמים מפשט את התכן ומאפשר ריצוד מינימלי בגודל הקטן ביותר האפשרי.

מפרט וביצועים במציאות

מתנדי שעון הם יותר מסתם גביש והמעגל האנלוגי שלו. הם כוללים חציצה כדי להבטיח שעומס היציאה של המתנד והשינויים בטווח הקצר והארוך שלו לא ישפיעו על ביצועי היחידה. הם גם תומכים ברמות שונות של יציאת לוגיקה דיגיטלית דיפרנציאלית עבור תאימות מעגלים. תאימות זו מסירה את הצורך ב-IC חיצוני לתרגום רמות-לוגיקה. IC כזה יגדיל את העלות, חתימת-השטח והריצוד.

מכיוון שמתנדי שעון משמשים ביישומים רבים ומגוונים עם מתחי פסי הספקת-כוח שונים, הם חייבים להיות מוצעים במגוון של מתחי הספקה כגון 1.8+ וולט, 2.5+ וולט או 3.3+ וולט, כמו גם ערכים מותאמים-במיוחד הנעים בדרך כלל בין 2.25 עד 3.63 וולט. הם חייבים להיות זמינים גם עם אפשרויות פורמט יציאה שונות כגון לוגיקה צימוד-אמיטר מתח חיובי נמוך/פסאודו (LVPECL‏) ואיתות דיפרנציאלי במתח נמוך (LVDS), כמו גם פורמטים אחרים.

בחינת שתי משפחות מתנדי שעון גביש, ה-AK2A‏ וה-AK3A‏, מדגימה מה ניתן להשיג באמצעות הבנה ושילוב מתוחכמים של חומרים, תכן, ארכיטקטורה ובדיקה. שתי המשפחות דומות, כאשר ההבדלים הבולטים ביניהן הם הגודל והתדר המקסימלי.

משפחת AK2A‏: משפחה זו של מתנדי גביש מוצעת בתדרים נומינליים מ-100 עד 200 מגה-הרץ והיא זמינה עם מתחי פעולה של 2.5 וולט, 3.3 וולט ו-2.25 עד 3.63 וולט עם לוגיקת יציאה דיפרנציאלית LVPECL‏, LVDS‏ ו-HCSL‏.

לכל חברי המשפחה יש ביצועים דומים, כולל ריצוד RMS נמוך. לדוגמה, ה-AK2ADDF1-100.000T‏ הוא התקן 100.00 מגה-הרץ, 3.3 וולט עם יציאות LVDS וריצוד RMS של fs‏ 160.2 (איור 5). יציבות התדר המצוינת שלו היא טובה יותר מ-±15 חלקים למיליון (ppm) על-פני הטמפרטורה, והוא מגיע במארז התקן הרכבה משטחית (SMD) בגודל 1.0 × 2.0 × 2.5 מ"מ.

איור 5: הריצוד מוצג כ-fs‏ 160 עבור ה-AK2ADDF1-100.000T, התקן 3.3 וולט, 100 מגה-הרץ עם יציאות LVDS. (מקור התמונה: Abracon)

עם זאת, ככל שתדרי השעון עולים, הריצוד חייב לרדת כדי לשמור על הביצועים ברמת-המערכת. עבור ה-AK2ADDF1-156.2500T‏, מתנד LVDS של 156.25 מגה-הרץ, ריצוד ה-RMS הטיפוסי יורד ל-fs‏ 83‏.

משפחת AK3A‏: ההתקנים ממשפחת AK3A הם גדולים מעט מאלה של משפחת AK2A עם חתימת-שטח של 1.0 × 2.5 × 3.2 מ"מ (איור 6). קיימות גרסות המוגדרות ל-212.5 מגה-הרץ, מעט יותר מהמגבלה של 200 מגה-הרץ עבור משפחת AK2A.

איור 6: מתנדי הגביש AK3A (מימין) הם מעט ארוכים ורחבים יותר לעומת אלה של סדרת AK2A (משמאל); קיימות גרסות עבור תדרים של עד 212.5 מגה-הרץ, בהשוואה ל-200 מגה-הרץ עבור AK2A. (מקור התמונה: Abracon)

המפרט הכולל של התקן AK3A זה דומים לאלו של חבר משפחת AK2A המקביל. דוגמה לכך היא ה-AK3ADDF1-156.2500T3‏, מתנד LVDS‏ 156.25 מגה-הרץ בעל ריצוד RMS טיפוסי של fs‏ 81, מעט טוב יותר מהחבר המקביל במשפחת AK2A.

הריצוד עבור שתי המשפחות משתנה בהתאם לתדר הפעולה, מתח הפעולה, גודל המארז ומבחר היציאות.

שיקולי מציאות נוספים

אין זה די שיהיה מתנד שעון הפועל לפי המפרט רק ביום יציאתו מהמפעל. כמו עם כל הרכיבים, במיוחד רכיבים אנלוגיים ופסיביים, מתנדים אלו נתונים לסחיפה לאורך הזמן עקב הזדקנות החומרים המרכיבים ומאמצים פנימיים.

מציאות זו היא מאתגרת במיוחד עבור מתנדי שעון בעלי ביצועים גבוהים, שכן אין דרכים נוחות או פשוטות לתקן או לפצות על סחיפה זו על ידי הוספת תוכנה או מעגלים חכמים. עם זאת, ישנן כמה דרכים למתן את השפעות הסחיפה. אלה כוללות מחזורים ארוכים של האמצה (Burn-in‏) על ידי משתמש הקצה עבור הזדקנות מואצת של המתנד, או שימוש במתנד מיוצב-טמפרטורה במארז מבוקר-תנור. הראשון גוזל זמן ומאתגר את שרשרת האספקה, בעוד שהאחרון גדול, יקר וצורך הספק.

מתוך הכרה בכך שההזדקנות היא פרמטר קריטי, משפחת ClearClock של Abracon‏ מציעה דיוק תדרים מחמיר וכוללני לאורך כל חיי המוצר הסופי של 10 עד 20 שנים. Abracon‏ מבטיח עמידה ביציבות התדר טובה יותר מ-ppm‏ 50‏± לאורך תקופה זו. זה מושג על ידי בחירה וייצור קפדניים של הגביש עם אוברטון-שלישי והאכשור שלו כך שיעמוד ביציבות של ppm‏ 15‏± בתחום של 20°C- עד 70°C+ ויציבות של ppm‏ 25‏± בתחום של C‏°‏40‏- עד 85°C‏+.

כמו תמיד, ההנדסה היא כולה עניין של פשרות. סדרות AK2A ו-AK3A של Abracon‏ מעניקות ביצועי רעש-ריצוד משופרים בהשוואה לסדרות שקדמו להן (AK2 ו-AX3‏ Gen I‏, בהתאמה) הודות לשימוש במתנד ASIC של הדור-הבא (Gen II), ובכך להבטיח ביצועי ריצוד RMS‏ אולטרה-נמוכים.

שיפור זה מושג במחיר של עלייה קלה בצריכת ההספק. צריכת הזרם המקסימלית עולה מ-50 מילי-אמפר (mA) עבור Gen I ל-mA‏ 60‏ עבור Gen II‏, אם כי התקני מתח נמוך פועלים בערך במחצית ערך זה. לכן, מתנדי ClearClock מהדור-השני מספקים ריצוד RMS אולטרה-נמוך תוך שמירה על צריכת הספק נמוכה.

סיכום

מתנדי תזמון הם פעימות הלב של קישור נתונים או פונקציית שעון, והדיוק, הריצוד והיציבות שלהם הם פרמטרים קריטיים להשגת הביצועים הנדרשים ברמת-המערכת, כולל SNR גבוה ו-BER נמוך. ניתן להשיג תדרי שעון גבוהים יותר על ידי בחירת ארכיטקטורות וחומרים חדשניים העומדים במפרטי הביצועים המחמירים הנדרשים על ידי התעשייה והסטנדרטים השונים שלה. סדרות AK2A ו-AK3A של Abracon‏ כוללות ריצוד של פחות מ-fs‏ 100‏ בתחום של 100 עד 200 מגה-הרץ במארזי SMD בגודל של מילימטרים בודדים בכל צד.