Stručný obsah

Krystalové oscilátory (Crystal Oscillators, XO) nebo také krystalové oscilátory řízené napětím (Voltage-Controlled Crystal Oscillators, VCXO) se v rámci současných spotřebních aplikací těší veliké oblibě. O krystalech přitom hovoříme v souvislosti s celou řadou prvků – najdeme je u hlavních procesorů, grafických čipů, součástek, zajišťujících vzájemnou propojitelnost (GPS, WLAN, WiMAX, GbE) a také poblíž aplikačních procesorů. S krystalovými oscilátory se pracuje jednoduše, vykazují velmi malé šumové pozadí a umožňují výběr ze širokého rozsahu pracovních kmitočtů. Často se však setkáváme s potřebou jednoho jediného kmitočtu, který ale potřebujeme rozvést do několika různých čipů. V takové situaci zcela jistě oceníme možnosti, které nabízí jednoduchý hodinový buffer, případně celé takové řešení, založené na krystalu. Článek proto nabídne bližší seznámení se samotnou výrobou nezarušeného taktování i následným oddělením v rámci jediné součástky. Jako příklad nám vhodně poslouží nejnovější obvody Texas Instruments.

1. Úvod

To, zda se rozhodneme jen pro samostatné krystaly nebo dáme raději přednost řešení s krystalem a následným bufferem, záleží na několika faktorech. Patří mezi ně počet součástek, které musíme taktovat, požadované provozní kmitočty, layout desky plošného spoje a také vše okolo jitteru. V typické multimediální aplikaci budeme např. potřebovat 27 MHz hodiny jak pro aplikační procesor tak i video – čip spolu s audio strukturami. Místo nasazení tří samostatných krystalových oscilátorů s pracovní frekvencí 27 MHz však můžeme vystačit jen s jediným krystalem, doplněným oddělovacím obvodem. Funkce bude zachována a ještě k tomu snížíme náklady. Udrží však takový přístup s jediným krystalem a následným bufferem krok se samostatnými krystaly a jejich nízkým šumem?

2. Hodinový buffer a jeho využití

2.1 Co si pod označením hodinový buffer máme představit?

Hodinovým bufferem (Crystal Buffer) rozumíme integrovaný obvod, spojující krystal (Crystal) s příslušnou oddělovací strukturou včetně zabudovaného stupně krystalového oscilátoru (Crystal Oscillator Stage, viz obr. 1).

Obr. 1: Blokový diagram hodinového bufferu

Dochází zde k výhodnému spojení tří samostatných prvků, resp. přesného a také stabilního kmitočtu krystalové jednotky, přizpůsobeného vstupního rozhraní mezi zdrojovým krystalem a oscilátorem, který zajišťuje provozní stabilitu, a výstupního bufferu s malým jitterem i zkreslením. Koncový uživatel tudíž nemusí vybírat dílčí prvky, které by pak nechal vzájemně spolupracovat. Má již totiž přímo použitelné řešení, které navíc vhodně pokryje široký kmitočtový rozsah.

2.2 Hodinové buffery a jejich výhody

Na začátku nového návrhu volíme vhodný zdroj hodinového kmitočtu, tj. zvažujeme samotný krystal, oscilátor nebo také přínos zmíněného hodinového bufferu. V mnoha případech bude výběr ovlivněn použitým čipem nebo také příslušnými systémovými požadavky. V první tabulce proto srovnáváme charakteristické vlastnosti různých přístupů v otázce taktování.

Tab. 1: Vlastnosti krystalu, oscilátoru a hodinového bufferu

Hodinové buffery nabídnou nejednu výhodu, zejména pak v případě důležitých systémových parametrů. S takovým přístupem mohou koncoví uživatelé v rámci stále náročnějšího povolání, ve kterém navrhují oscilátory a s nimi spojené struktury, výrazně omezit riziko samotného návrhu spolu s časem i dalšími vynaloženými náklady.

2.3 Konkrétní příklady hodinových bufferů

2.3.1 Krystalový generátor hodinového kmitočtu - CDCS502

Pod označením CDCS502 (Texas Instruments) se ukrývá nejnovější přírůstek v rodině krystalových oscilátorů s volitelným rozprostřeným spektrem. K dispozici zde máme vstup pro krystal a také jeden výstup typu LVCMOS. Podpora zahrnuje celou řadu krystalů i jejich pracovních kmitočtů od 8 MHz až do 32 MHz. Blokový diagram jsme zachytili na obr. 2.

Obr. 2: Blokový diagram obvodu CDCS502

2.3.2 Programovatelný syntetizér pro generování taktu – CDCE913

Integrovaný obvod CDCE913 lze popsat jako velmi výkonný hodinový buffer se třemi výstupy, PLL (Phase Lock Loop) s volitelným rozprostřeným spektrem, malým výstupním jitterem a vysokou mírou konfigurovatelnosti prostřednictvím rozhraní I2C. Vestavěná smyčka PLL při své konverzi vstupního taktování (fin) na výstupní kmitočty (fout) podporuje celočíselné násobení, resp. také dělení.

Obr. 3: Blokový diagram obvodu CDCE913

3. Hodinový buffer a otázka šumu

Kvalita hodinového signálu se zpravidla posuzuje dle jitteru a fázového šumu. Taková specifikace přitom nabývá na svém významu např. v oblasti vysokorychlostních sériových linek, u kterých obvykle vyžadujeme 30 – 60 ps (pk-pk) nebo typ. 1 – 2 ps (rms) jitter hodinového signálu mezi jednotlivými cykly. V následujících dvou oddílech se proto zaměříme na jitter hodinového bufferu, který nejdříve necháme pracovat v režimu s krystalem (Crystal Mode) a poté v režimu PLL (PLL Mode).

3.1 Režim s krystalem a jeho šum

Samotný jitter obvodu CDCE913 jsme vyhodnocovali ve třech režimech: Krystalový oscilátor nejprve budil jeden výstup, poté jsme z krystalového zdroje signálu budili výstupy tři a nakonec jsme třem výstupům ještě předřadili dělení dvěma. Každý z výstupů, odvozených přímo z referenčního oscilátoru, vykazuje v otázce jitteru stejné charakteristiky jako referenční oscilátor. V Tab. 2 jsme zachytili typické velikosti jitteru, naměřené na společných frekvencích krystalu, tj. 14.31818 MHz, 25 MHz a 27 MHz.

Tab. 2: Režim s krystalem a jeho jitter (10 kHz až 5 MHz pro rms)

Následující graf vykresluje příznivý průběh fázového šumu v souvislosti s referenčním oscilátorem, pracujícím na 25 MHz.

Obr. 4: Průběh fázového šumu (režim s krystalem, 25 MHz)

3.2 Režim s PLL a jeho šum

Použijeme – li smyčku PLL, budeme muset počítat s určitým zhoršením dosahovaných parametrů v otázce jitteru. PLL přitom umožňuje násobení vstupního kmitočtu v celočíselném (Integer Mode) nebo také zlomkovém (Fractional Mode) režimu. Ve třetí tabulce vidíme odezvu (Jitter) v režimu s PLL. Vynásobená vstupní frekvence byla následně dělena, abychom mohli získat srovnávatelné výsledky s předchozím měřením.

Tab. 3: Režim s PLL a jeho jitter

Sejmutý průběh názorně demonstruje vliv PLL na dosahovanou úroveň fázového šumu pro kmitočtový posun nad 10 kHz.

Obr. 5: Průběh fázového šumu (režim s PLL, 25 MHz)

Pro aplikace, vyžadující nekompromisní odezvy v otázce jitteru proto doporučujeme vybírat výstupy, odvozené přímo z referenčního oscilátoru.

4. Závěr

Nasazením hodinového bufferu mohou vývojáři na jediném čipu zajistit nízkonákladové řešení s malým jitterem, vysokou přesností a také žádaným oddělením. Na několika příkladech jsme si ukázali, že dosahované vlastnosti v režimu s krystalem budou odpovídat požadavkům na malý jitter vysokorychlostních sériových linek, určených k přenosu dat. Zabudovaná podpora flexibility navíc pomáhá zvýšit spolehlivost včetně integrity taktovacího signálu, zkracuje vývojový cyklus a vhodně podporuje i opětovné využití již hotového návrhu.

Něco o autorovi:

Georg Becke je systémovým inženýrem Texas Instruments ve skupině Clock Products a také starším členem technického personálu. Své tituly MSEE a BSEE v oboru Elektronika a zpracování dat získal na univerzitě (FH) v Mnichově, Německo.

Odkazy:

• Datasheet CDCS502 (SCAS868)
• Datasheet CDCE913 (SCAS849D)

Příloha: Přídavné funkce hodinového bufferu

Rodina obvodů CDCE9xx nabízí několik volitelných prvků, které vhodně nahrávají potřebám systémových vývojářů. V následující tabulce shrnujeme ty nejzajímavější:

Tab. 4: Některé vlastnosti a související výhody obvodů řady CDCE9xx