ECK-DATEN

Viele der heutigen intelligenten, vernetzten Systeme können von einem hochintegrierten Takt profitieren. Der Übergang von mehreren Oszillatoren auf eine Architektur mit zentralisiertem Takt muss eine sorgfältige Planungs- und Layout-Phase durchlaufen. Dies kann die Kosten verringern, die Leistungsfähigkeit verbessern sowie die Funktionalität und Zuverlässigkeit erhöhen.

Zu den Auswahlmöglichkeiten für Elektronikschaltkreise zählen Quarz- und MEMS-Resonatoren. Die Anforderungen an einen Resonator sind: Stabilität der Resonanzfrequenz über der Zeit und Temperatur, um ein Abdriften der Taktfrequenz zu vermeiden. Hohe Güte (Q), um eine Antwort des Resonators bei einem schmalen Frequenzband sicherzustellen. Möglichkeit, mit einem hohen Signalpegel zu arbeiten, der ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis am Ausgang unterstützt.

Die beiden zuletzt genannten Punkte sind entscheidend für ein Taktsignal mit geringem Jitter, das stabile Timing-Übergänge ermöglicht. Da ein Resonator ein passives Bauelement ist, benötigt er eine kontrollierte Energiezufuhr, um zu schwingen und die Referenzfrequenz zu erzeugen. Das Koppeln eines Resonators mit einem Verstärker in einem Rückkopplungskreis sorgt für dieses stabile Schwingen. Quarz- oder MEMS-Resonatoren mit entsprechendem Verstärker eignen sich als Frequenzreferenzen für die Datenübertragung im Bereich 10 Mbit/s und darüber hinaus.

Quarzresonatoren haben eine hohe Güte Q und hohe Ausgangsleistung und eignen sich für Anwendungen, in denen der Jitter extrem gering sein muss: 100 fs Phasenrauschen, gemessen in der üblichen Bandbreite von 12 kHz bis 20 MHz, lassen sich erzielen. MEMS-Resonatoren arbeiten über einen weiten Temperaturbereich mit einer stabilen Frequenz, sind zuverlässig, widerstehen Stößen und Vibrationen und ermöglichen kleine Takt-ICs mit nur 1 mm2 Platzbedarf. MEMS-Resonatoren haben eine hohe Güte Q bei niedrigerer Ausgangsleistung: 500 fs Phasenrauschen sind möglich – neue MEMS-Resonatoren bieten sogar noch niedrigere Werte. Beide Technologien eignen sich für viele moderne Netzwerkanwendungen wie PCIe, bei denen eine geringere IBW (Integrated Bandwidth) vorherrscht.

Für Embedded-Systeme gibt es drei Möglichkeiten, Resonatoren zu integrieren, um ein Taktsignal zu erzeugen: Ein Quarz, der direkt mit dem zu taktenden Target-SoC verbunden ist, ein Quarzoszillator (XO), der einen Takt für das System als Ganzes erzeugt sowie Quarz- oder MEMS-basierter Takt-IC, der einen oder mehrere Taktausgänge bei niedrigen und hohen Frequenzen (>50 MHz) erzeugt.

Quarze direkt an den Target-SoC anschließen

Taktgeneratoren

Bild 1: Zwei direkt an eine MCU angeschlossene Quarze – mit Ladekondensatoren und Vorwiderständen. Microchip

In diesem Fall ist der System-on-Chip-Baustein (SoC) mit einem Verstärker ausgestattet, und der Quarz kann direkt angeschlossen werden – normalerweise über Kondensatoren, um die korrekte Rückkopplung zu erhalten und die Frequenz abzustimmen. Bild 1 beschreibt, wie ein HF- und NF-Quarz direkt mit einer MCU verbunden wird. Ein System, das nur einen oder zwei Quarze benötigt, die auf diese Weise angeschlossen sind, ist kostengünstig. Das Leiterplatten-Layout vereinfacht sich, da der Quarz neben dem SoC platziert wird, und in der Regel vermeidet dies auch Probleme mit der Signalintegrität und EMI. Es gibt jedoch einige Vorbehalte:

  • Der Quarz muss zum internen Verstärker des SoCs kompatibel sein. Wenn der äquivalente Serienwiderstand des Quarzes im Vergleich zum negativen Widerstand des Verstärkers zu hoch ist, kann der Oszillator nicht starten.
  • Der Quarz benötigt möglicherweise Ladekondensatoren, um sicherzustellen, dass die Phasenabstimmung bei der Rückkopplung korrekt ist, und um die Frequenz genau einzustellen.
  • Quarze weisen einen relativ großen Temperaturkoeffizienten auf. Anwendungen, die außerhalb von -40 bis +70 °C arbeiten, müssen möglicherweise einen temperaturkompensierten XO oder einen integrierten MEMS-basierten Takt verwenden.
  • Standard-Quarze, die in einem Grundmodus arbeiten, weisen Resonanzfrequenzen bei oder unter 50 MHz auf. Quarze, die oberhalb von 50 MHz im Obertonmodus arbeiten, sind tendenziell teurer.

XO-Quarzoszillatoren

Taktgeneratoren

Bild 2: XOs bestehen aus einem Quarz-Rohling, der sich in einem Keramikgehäuse mit Metalldeckel befindet. Microchip

In einem XO befinden sich ein Quarz und ein Verstärker in einem einzigen Gehäuse. Bild 2 beschreibt, wie der Quarzwafer-Rohling mit einem Oszillator-ASIC in einer hermetischen Anordnung kombiniert wird. Diese bereits verpackte Einheit vermeidet – obwohl sie teurer als ein einzelner Quarz ist – die Schnittstellenprobleme der oben genannten ersten beiden, sodass ein zuverlässiger Start und eine korrekte Ausgangsfrequenz gewährleistet sind. Auch hier kann ein System, das ein oder zwei XOs benötigt, kostengünstig sein. Wenn mehrere Frequenzen, zusätzliche gepufferte Ausgänge oder Frequenzen über 50 MHz erforderlich sind, kann das System von einem integrierten Taktgenerator profitieren.

Vorteile von Taktgeneratoren

Ein hochintegrierter Taktgenerator enthält einige oder alle der folgenden Bauelemente in einem Gehäuse:

  • Resonator, zum Beispiel Quarz oder MEMS
  • Verstärker
  • Phasenregelkreise (PLLs) zur Frequenzvervielfachung auf eine oder mehrere Frequenzen, normalerweise im Bereich 1 MHz bis 1 GHz
  • ein oder mehrere Puffer, um mehrere Kopien derselben Taktfrequenz bereitzustellen
Taktgeneratoren

Bild 3: Ein integrierter Taktgenerator vereint einen MEMS- oder Quarz-Resonator mit einem Oszillator und erweitert die Funktion um eine programmierbare PLL und einen Ausgangspuffer. Microchip

Bild 3 beschreibt die Integration aller Funktionen. Der Taktgenerator in Bild 4 besteht aus einem gegossenen QFN-Kunststoffgehäuse, das einen Quarz und ASIC enthält, einschließlich Verstärker, PLL, zwei programmierbaren Teilern und fünf Ausgangspuffern. Ein einmalig programmierbares (OTP) ROM speichert die kundenspezifische Konfiguration, zum Beispiel die Frequenzen und Ausgangsprotokolle. Ein hermetisch verpackter Quarz befindet sich zusammen mit dem ASIC in einem kostengünstigeren Kunststoffgehäuse. Die separate Verpackung des Quarzes isoliert ihn vom ASIC und dem Substrat, wobei sauber gearbeitet wird und Verunreinigungen auf der Quarzoberfläche vermieden werden. Damit ergibt sich eine gute Frequenzstabilität über die Zeit.

Taktgeneratoren

Bild 4: Blockdiagramm eines Taktgenerators mit fünf Ausgängen und Quarz auf einem Substrat mit integriertem Schaltkreis – vor der Montage in ein hermetisch abgeschlossenes Kunststoffgehäuse. Microchip

Ein Quarz oder XO ist kostengünstig, wenn nur eine oder zwei Frequenzen und einzelne Kopien eines Taktsignals benötigt werden. Komplexere Systeme profitieren jedoch von einem Taktgenerator. Der Vorteil dabei ist die geringere Zahl an Bauelementen, was die Kosten senkt. Bild 5 beschreibt einen 10-Gbit/s-Ethernet-Switch, der mehrere Takte oberhalb und unterhalb von 50 MHz benötigt. Die Kombination mehrerer XOs, PLL und Puffer kann durch einen SM803-Taktgenerator ersetzt werden, der einen externen Quarz und einen DSC400 mit integriertem MEMS-Resonator erfordert.

Ein integrierter Taktgenerator ist flexibel und ermöglicht die Wahl verschiedener Frequenzen und Ausgangsprotokolle durch Programmierung eines OTP-ROMs. Manchmal sind I2C- oder SPI-Eingänge oder eine Hardware-Pin-Steuerung enthalten, damit Entwickler die Frequenzen nach der Installation des Taktgenerators einstellen können. Wählbare Einstellungen sind dabei von Vorteil, wobei sich ein leistungsfähigerer Takt ergibt, der sich unter besonderen Bedingungen beschleunigen lässt.

Taktgeneratoren

Bild 5: 10-Gbit/s-Ethernet-Switch, bei dem ein komplexer Taktbaum mit zwölf Bauelementen durch zwei Taktgeneratoren ersetzt werden kann. Microchip

Eine wichtige Funktion von Taktgeneratoren ist das Spreizen der Ausgangstakte. Das Streuspektrum sorgt für eine sorgfältig entworfene Frequenzmodulation des Taktausgangs, die klein genug ist, um die Leistungsfähigkeit nicht zu beeinträchtigen – aber ausreichend, um die hohen spektralen Spitzenwerte eines festen Taktausgangs einige Dezibel niedriger auf eine enge Frequenzanordnung zu verteilen. Diese verringerten Spitzenspektralpegel können EMI-Probleme verhindern. Gespreizte und nicht gespreizte Taktsignale sind in Bild 6 dargestellt.

Taktgeneratoren

Bild 6: EMI lässt sich durch Modulation des Taktsignals und verkleinerte Energiespitzen verringern (Streuspektrum-Modulation). Microchip

Auch Taktgeneratoren erhöhen die Leistungsfähigkeit. Ein diskreter Ansatz, der mehrere Taktausgänge mithilfe eines Oszillators erzeugt, gefolgt von Puffern und PLLs, erfordert ein Routing mehrerer Taktleitungen auf der Leiterplatte. Diese Leitungen sind anfällig für Übersprechen und Reflexionen. Im Gegensatz dazu sind die verschiedenen Taktsignale, die von einem Taktgenerator stammen sauber – mit einer geringen Verzerrung (Skew) und angepassten Anstiegs-/Abfallzeiten. Für einen komplexen Taktbaum ermöglicht ein Taktgenerator eine saubere Takterzeugung mit geringem Risiko, kurzer Entwicklungsdauer und wenig Platzbedarf auf der Leiterplatte.

Entwickler, die es bisher gewohnt waren, Quarze neben SoCs zu platzieren, werden sich fragen, ob das Routing längerer Leitungen von einem zentralen Taktgenerator nicht die Signalqualität verschlechtert und die EMI erhöht. Bei korrekter Ausführung – mit sorgfältig entworfenen Übertragungsleitungen, dem richtigen Abschluss und Leiterplattenaufbau – vermeidet ein zentralisierter Takt diese Probleme und spart Kosten.

Taktgeneratoren

Bild 7: Beispielliste aller erforderlichen Taktsignale. Microchip

Taktbaum erstellen

Beim Aufbau eines Taktbaums kommt es darauf an, einen Überblick über das gesamte Endsystem zu erhalten. Bild 7 beschreibt diesen Ansatz und zeigt die Bestückungsmöglichkeiten. Zu berücksichtigen ist, welche Frequenzen synchron sein müssen. Der Ethernet-Switch in Bild 5 ist ein Beispiel für einen freilaufenden Taktbaum. Unabhängige Datenkanäle müssen nicht synchron getaktet werden. Ein einzelner Datenkanal, der mit unterschiedlichen Taktraten verarbeitet wird – wenn die Latenz im Datenstrom durch Pufferung verwaltet werden kann – ist ebenfalls ein freilaufendes oder unabhängig getaktetes System.

Taktgeneratoren

Bild 8: Synchrones Taktsystem. Microchip

Ein System, das einen einzigen Präzisionstakt verwendet, der an mehreren Orten mit einer genau geregelten Phasenverriegelung repliziert wird, ist ein synchrones System. Dieses Design ist bei der Highspeed-Datenübertragung üblich, bei der eine niedrige Latenz entscheidend ist. Für diese Systeme sind zwei weitere Bauteile erforderlich. Der erste ist ein Jitter-Blocker, eine integrierte PLL mit einem Schmalband-Schleifenfilter. Er erzeugt kein Taktsignal, entfernt aber den Jitter eines vorhandenen Takts. Darüber hinaus ermöglichen Low-Additive-Jitter-Puffer mehrere Kopien eines vorhandenen Takts.

Taktgeneratoren

Bild 9: Sobald die Frequenzen und die Anzahl der Ausgänge definiert sind, müssen viele andere Taktparameter berücksichtigt werden. Microchip

Bild 8 beschreibt ein synchrones Taktsystem. Die wichtigsten elektrischen Parameter sind in Bild 9 dargestellt. Das Verständnis der Frequenzgenauigkeit und des zulässigen Jitters ist entscheidend. Im Gegensatz zu den elektrischen Parametern können besondere Situationen die Entscheidungen beeinflussen. Der Formfaktor und Temperaturbereich sind Faktoren, die oft die Produktauswahl beeinflussen.