השתמשו בחוצצי שעון דיפרנציאליים עם ריצוד אדיטיבי אולטרה-נמוך עבור ארכיטקטורות תזמון מדויקות

מערכות אלחוט תעשייתיות ומשובצות מודרניות דיגיטליות במהירות גבוהה תלויות בשעוני מערכת מדויקים, אך ארכיטקטורות תזמון מורכבות יותר ויותר מקשות על פילוג אותות נקיים מבלי לצבור ריצוד, מה שמגביר את רעש הפאזה של תדר הרדיו (RF), מצמצם את שולי תזמון הממשק ומפחית את דיוק המדידה והבקרה.

ככל שעצי שעון גדלים כדי לתמוך ביישומים מורכבים יותר עם דרישות Fanout‏ גבוהות יותר ודרישות מגוונות של פורמט כניסה/יציאה, המתכננים זקוקים לרכיבי פילוג ורסאטיליים יותר היכולים עדיין לשמור על דיוק התזמון הנדרש.

מאמר זה דן באתגרים העומדים בפני מתכנני ארכיטקטורות פילוג תזמון מדויק. לאחר מכן הוא מציג חוצצי שעון דיפרנציאליים של Skyworks Solutions‏ ומראה כיצד ניתן להשתמש בהם כדי להתמודד עם אתגרים אלה.

כיצד תכן מוקפד מתמודד עם אתגרי עץ שעון

תכני מערכות ממשיכים להיות מורכבים יותר בתחומי יישומים שונים, מה שמציב בפני המתכננים אתגרים גדולים יותר בהתאמה באספקה מדויקת של אותות שעון ייחוס מדויקים על פני רשתות מעגלים גדולות יותר, מבלי לפגוע בביצועים או להוסיף עלות. לדוגמה, ביישומי רשתות ומרכזי נתונים ברמת-הארגון, עצי פילוג שעון חסונים חייבים לתמוך במארגי מתגים, סנכרון רב-דומיינים ותרגום שעון בין תת-מערכות. במערכות מחשב המשתמשות בחיברורים בעלי תפוקה גבוהה כגון PCI Express, ביצועים אמינים תלויים בעמידה במרווחי תזמון צפופים. במערכות תעשייתיות ומשובצות, איתות שעון מדויק הוא קריטי עבור איסוף נתונים וחוגי בקרה מדויקים.

בכל אחד מיישומים אלו, מאגרי שעון ממלאים תפקיד מרכזי בפילוג שעון הייחוס על פני עץ השעון. בעשותם כך, הם צפויים לפעול על פני מספר פורמטי איתות ותחומי מתחים תוך מזעור ריצוד אדיטיבי, שהוא הריצוד המצטבר הנתרם על ידי חוצץ שעון בכל דרגה של עץ השעון. ריצוד אדיטיבי מושפע מגורמים כגון קצב השינוי (Slew Rate‏), פורמט היציאה, מתח ספק-הכוח ומאפייני הביצועים של חוצץ השעון.

קצב השינוי: למרות שחוצץ שעון אידיאלי ממתג מתח בסף מתח קבוע, סף המיתוג עבור התקנים בעולם-האמיתי יכול להשתנות בתוך חלון (איור 1). ככל שקצב השינוי של הכניסה איטי יותר, כך לוקח לאות זמן רב יותר להגיע לסף בפועל לפני שהחוצץ מתמתג, מה שגורם לריצוד נוסף ביציאה.

איור 1: קצב השינוי בכניסה משפיע על הריצוד האדיטיבי על ידי השפעת משך הזמן שהאות נשאר באזור סף המיתוג של החוצץ. (מקור התמונה: Skyworks)

פורמט היציאה: משפחות לוגיקה שונות מציגות רמות שונות של ריצוד אדיטיבי מכיוון שהן דוחפות אותות עם תנודות מתח, קצבי קצה והתנהגויות סיומות שונות. בהשוואה למשפחות לוגיקה המשתמשות בפורמטים של איתות דיפרנציאלי במתח נמוך (LVDS) עם תנודות קטנות יותר או קצוות איטיים יותר, משפחות לוגיקה כגון לוגיקה מצומדת-פולט חיובית במתח נמוך (LVPECL), עם תנודות גדולות יותר וקצוות מהירים יותר, חוצות את אזור הסף של המקלט מהר יותר. זה מפחית את הרגישות לשינויים קלים ברעש או בתנאי ההספקה במהלך המעבר. סגנון סיומת וטופולוגיית הדוחף משפיעים גם על מידת האחידות של אות תחת עומס, מה שתורם להבדלים בהתנהגות הריצוד בין משפחות לוגיקה.

מתח ההספקה: מתח ההספקה משפיע על הריצוד האדיטיבי מכיוון ששינויים בפס הספקת-הכוח יכולים להזיז את ספי המיתוג הפנימיים של מעגל החוצץ ולשנות לרגע את תזמון הקצה האפקטיבי כאשר ההתקן יוצר מחדש את שעון הכניסה. כאשר רעש ההספקה מאפנן את הספים הללו, אפילו במעט, קצה השעון עשוי לחצות את הסף מוקדם או מאוחר מהמתוכנן, מה שיוצר אי-ודאות נוספת בתזמון. כמובן, השפעה זו בולטת יותר עם קצוות כניסה איטיים יותר או משפחות לוגיקה המייצרות תנודות מתח קטנות יותר, שבהן האות עולה רק במעט על סף המיתוג.

מאפייני ביצועי חוצץ השעון: מאפייני חוצץ השעון קובעים בסופו של דבר את מידת היעילות שלו בניהול הגורמים המשפיעים על ריצוד אדיטיבי על פני עץ שעון.

כיצד חוצצי שעון דיפרנציאליים מקלים על דיוק התזמון

ככל שדרישות המערכת מחמירות, חוצצי השעון SKY535xx‏ של Skyworks מעניקים את השילוב של ריצוד אדיטיבי נמוך במיוחד ותמיכה במשפחות לוגיקה שונות הנדרשת בארכיטקטורות תזמון מדויקות. הביצועים והגמישות שלהם עונים על דרישות במגוון רחב של מקרי שימוש, כולל מערכות PCIe Express מדור 1 עד דור 7, רשתות במהירות גבוהה, מערכות תעשייתיות ומשובצות קריטיות-לתזמון, תרגום פורמט דומיין שעון וסנכרון ביישומי אלחוט ומכשור רגישים-לתזמון.

דרגת הכניסה הגמישה של התקנים אלו כוללת מרבב 3:1 התומך בשתי כניסות אוניברסליות בכל פורמט (CLK0, CLK1) וכניסת גביש אחת (XA). דרגת היציאה שלהם כוללת שני מערכי יציאות שעון (מערך A ומערך B) התומכים בסה"כ ב-10 יציאות דיפרנציאליות ב-SKY53510‏, 8 ב-SKY53580‏ ו4 ב-SKY53540‏.

בנוסף, התקני SKY535xx מספקים פיני הספקה נפרדים עבור לוגיקת הליבה (VDD), דוחף השעון (VDDOC) של יציאת הייחוס (REFOUT), וכל מערך יציאה (VDDOA, VDDOB) (איור 2). הם גם משלבים מייצבים עם מפל-מתח נמוך (LDO) כדי לסייע בשמירה על דחיית ספק כוח גבוהה תוך פישוט התכן על ידי הפחתת מספר הרכיבים החיצוניים הדרושים לתמיכה בפעולה עם ריצוד נמוך.

איור 2: התקני SKY535xx תומכים בתצורות עץ שעון מורכבות, כולל מרבב כניסה 3:1 ושני מערכי יציאה עצמאיים, המאפשרים פילוג שעון עם ריצוד נמוך על פני מספר פורמטים ומתחים. (מקור התמונה: Skyworks)

כדי לתמוך בגמישות על פני מספר משפחות לוגיקה ופסי הספקת-כוח, שתי הכניסות האוניברסליות של משפחת SKY535xx מקבלות מגוון רחב של פורמטי שעון ותחומי מתח נפוצים ב-CLK0 וב-CLK1. פורמטים אלו כוללים LVPECL‏, LVDS‏, Scaled LVDS‏ (S-LVDS‏), לוגיקת היגוי-זרם במהירות גבוהה (HCSL‏), לוגיקת אופן-זרם (CML‏), Stub Series-Terminated Logic‏ (SSTL‏), לוגיקת מקמ"ש במהירות גבוהה (HSTL‏), ו-CMOS‏ במתח-נמוך בצימוד-AC‏ (LVCMOS‏) ב-V‏ 1.8‏, V‏ 2.5‏ או V‏ 3.3‏.

התקני SKY535xx, המתוכננים לפעול באופן עצמאי ממקורות ייעודיים של V‏ 1.8‏, V‏ 2.5‏ או V‏ 3.3, הם בעלי שני מערכי יציאה הניתנים לתכנות ליצירת יציאות LVPECL, LVDS, S-LVDS, HCSL או תלת-מצבי (Hi-Z) באמצעות פיני בקרת פורמט אות יציאה SFOUTA ו-SFOUTB עבור פיני בקרת פורמט אות יציאה מערך A‏ ומערך B‏, בהתאמה (איור 3).

איור 3: פיני בקרת פורמט אות יציאה ייעודיים (SFOUTx) מאפשרים בחירה עצמאית של פורמט אות היציאה עבור כל אחד משני מערכי היציאה של התקן SKY535xx. (מקור התמונה: Skyworks)

התקני SKY535xx, שנבנו עבור פילוג שעון עם ביצועים עיליים, תומכים בפעולה בתדר גבוה עם כל פורמט יציאה, כולל זרם ישר (DC) עד 3.1 גיגה-הרץ (GHz) עבור LVPECL‏, DC‏ עד GHz‏ 3‏ עבור LVDS, ו-DC עד MHz‏ 800‏ עבור HCSL. במקביל, הם מפגינים ריצוד אדיטיבי אולטרה-נמוך בכל הפורמטים. לדוגמה, התקנים אלה מציגים ריצוד אדיטיבי של רק 35 פמטו-שניות (fs‏) RMS (טיפוסי) ו-RMS‏ fs‏ 47‏ (מקסימום) עבור שעון של 156.25 מגה-הרץ (MHz) בפורמט LVPECL, הנמדד עם רוחב-פס אינטגרציה של 12 קילו-הרץ (kHz) עד 20 מגה-הרץ (איור 4). הם מציגים ביצועים דומים בפורמטי יציאה אחרים, עם עלייה צנועה בלבד בריצוד בתדרים נמוכים יותר.

איור 4: התקני SKY535xx מציגים ריצוד אדיטיבי אולטרה-נמוךבכל פורמטי לוגיקת היציאה שלהם, עם עלייה צנועה בלבד בריצוד בתדרים נמוכים יותר. (מקור התמונה: Skyworks)

השילוב של ביצועים וגמישות שמציעים התקני SKY535xx של Skyworks הופך אותם ליעילים במיוחד לתמיכה בארכיטקטורות תזמון מורכבות הדורשות מספר דומייני שעון, תקני איתות ורמות מתח כדי להתקיים יחד מבלי לפגוע בביצועי הריצוד. ה-Fanout‏ המידרגי שלהם תומך בהרחבת עץ שעון מבלי לדרוש התקנים נוספים העלולים להכניס ריצוד נוסף או אי-ודאות בתזמון ולהגדיל את עלות התכנון והמורכבות. יתר על כן, על ידי תמיכה במספר פורמטים ורמות יציאה, התקן SKY535xx יחיד יכול לשרת נקודות קצה הטרוגניות, תוך פישוט התכן והפחתת מספר התקני החוצץ הנדרשים.

כדי לסייע בהבטחת אותות שעון נקיים ברשתות פילוג מורחבות, מנהל דוחף REFOUT של משפחת SKY535xx משלב דגימה סינכרונית של ייחוס אפשור-יציאה (OE_REF), מה שמבטיח ש-REFOUT יתחיל למתג רק בגבולות שעון מוגדרים. מאפיין זה מסייע לייצב את התנהגות התזמון במורד-הזרם על ידי הימנעות מפולסים בעלי מבנה פגום העלולים להוביל לגילוי קצה כוזב או מעברים לא-רצויים, וכתוצאה מכך למעברים דו-משמעיים או לא-שלמים בלוגיקה במורד-הזרם.

מימוש פתרונות פילוג שעון עם ריצוד אולטרה-נמוך

כדי להשיג ביצועי ריצוד אדיטיבי נומינליים, Skyworks ממליצה להפעיל התקנים אלו עם קצב שינוי דיפרנציאלי של 3.0 וולט לננו-שנייה (V/ns‏) ו-V/ns‏ 1.0‏ עבור פורמטי קצה-יחיד (Single-Ended‏). כפי שצוין קודם לכן, ריצוד אדיטיבי יכול לעלות ככל שקצב השינוי יורד עם כל חוצץ שעון. עם זאת, בעזרת התקנים אלה, המתכננים יכולים להשתמש בכניסת גביש XA משולב כדי להפחית ריצוד אדיטיבי בתכני פילוג שעון הפועלים בתדרים איטיים יותר או אמפליטודות נמוכות יותר, מה שמפחית את קצבי השינוי. השוואה של ריצוד אדיטיבי הנובע מדחיפת CLK0 או כניסת XA‏ עם גל סינוס קצה-יחיד מראה שגביש XA יכול להציג ריצוד מופחת (איור 5).

איור 5: בתדרים ובאמפליטודות כניסה נמוכות יותר, דחיפת כניסת XA עם גל סינוס קצה-יחיד יכולה להשיג ריצוד אדיטיבי נמוך יותר מאשר דחיפת כניסת CLK0 או CLK1 עם אותו אות. (מקור התמונה: Skyworks)

כפי שצוין קודם לכן, קצב השינוי הוא רק אחד מגורמים רבים המשפיעים על הריצוד בעץ שעון. כתוצאה מכך מימוש מוצלח של פתרונות מורכבים לפילוג שעון תלוי בהערכה מדוקדקת של התצורות המוצעות ובמדידת ביצועים.

לשם כך לוח ההערכה SKY53510-EVB‏ של Skyworks משמש הן כפלטפורמת הערכה והן כתכן ייחוס עבור אפיון ביצועי ההתקן ותיקוף פרקטיקות המימוש. הלוח שתוכנן עבור נוחות שימוש, אינו דורש הגדרת תוכנה ובמקום זאת מספק מספר מגשרים ומתגים להגדרת SKY53510‏ מובנה עם 10 יציאות (איור 6).

איור 6: לוח ההערכה SKY53510-EVB מספק גישה מלאה לפיני חוצץ השעון של SKY53510 באמצעות סט של מגשרים ומתגים, מה שמפשט את ההערכה של תצורות פעולה שונות של חוצץ השעון. (מקור התמונה: Skyworks)

המתכננים מזינים את הלוח על ידי חיבור מתאם מתח לשקע קיר, כבל USB או מקור _DC‏V‏ 5‏ חיצוני. מגשרים נפרדים מגדירים באופן עצמאי את VDD, VDDOA, VDDOB ו-VDDOC לפעולה ב-V‏ 1.8‏, V‏ 2.5‏, או V‏ 3.3‏ ומאפשרים שימוש בארבעת ה-LDO הייעודיים המובנים, או במקור הספקת כוח חיצוני העוקף את ה-LDO. ניתן לגשת ל-CLK0 ול-CLK1 של ההתקן דרך מחברים תת-מיניאטוריים גרסה A‏ (SMA‏), התומכים בשעונים דיפרנציאליים או קצה-יחיד.

לחלופין, המתכננים יכולים לדחוף את כניסת XA של ה-SKY53510 באמצעות גביש 54 מגה-הרץ המובנה או שעון חיצוני. ניתן להגדיר את יציאות מערך A ומערך B באופן עצמאי עבור LVPECL, LVDS, S-LVDS, HCSL או Hi-Z באמצעות מתג DIP, וכל מערך כולל מתחי הספקה ניתנים-לבחירה לתמיכה בתרגום רמות ופילוג שעון בפורמט מעורב.

מקטע הכניסה הניתן-להגדרה של הלוח מאפשר למתכננים להשוות את התנהגות הכניסות הדיפרנציאליות ב-CLK0 ו-CLK1 עם הדחיפה מבוססת-גביש ב-XA, להעריך את ההשפעה של סיומת AC ו-DC מתאים עבור משפחות לוגיקה שונות, ולהעריך כיצד קצב שינוי הכניסה משפיע על הריצוד האדיטיבי. הלוח כולל גם רשתות סיומות ייחוס עבור יציאות LVPECL, LVDS, S-LVDS ו-HCSL, ומספק דוגמאות מעשיות לשמירה על איכות הקצה ומזעור ריצוד בפרישות ייצור.

הלוח כולל פסים מוליכים לכיול CAL_IN ו-CAL_OUT התואמים במדויק באורך ובגיאומטריה לפסים מוליכים לנתיבי הכניסה והיציאה, ובכך מאפשרים מדידה מדויקת של פרמטרי שיהוי ההתפשטות וה-Skew‏ העומדים בבסיס ביצועי פילוג שעון רב-דומיינים.

סיכום

ארכיטקטורות התזמון הנדרשות עבור יישומים עם ביצועים עיליים מאתגרות יותר ויותר את המתכננים לפילוג שעוני ייחוס נקיים על פני מספר דומיינים ופורמטי איתות. חוצצי השעון הדיפרנציאליים של SKY535xx של Skyworks עומדים באתגרים אלה הודות לריצוד אדיטיבי אולטרה-נמוך ואפשרויות כניסה ויציאה גמישות.