De impact van jitter op hogesnelheidsverbindingen begrijpen en minimaliseren

Klokoscillators leveren de timinghartslag van moderne circuits door systeemcomponenten te pacen. Naarmate de systeemsnelheden toenemen tot honderden megahertz (MHz) en hoger, moeten deze klokken sneller zijn en een zeer lage jitter hebben, meestal minder dan 100 femtoseconden (fs), om de systeemprestaties te behouden. Ze moeten ook na verloop van tijd hun lage jitter-specificaties behouden, ondanks variaties in temperatuur en spanning.

Sommige jitter wordt veroorzaakt door signaalpadruis en vervorming, en kan enigszins worden verminderd door herklok- en retimingtechnieken. Jitter wordt echter ook gegenereerd door de klokbron, meestal een oscillator. Dit komt door verschillende fysische verschijnselen, waaronder thermische ruis, procesimperfecties, voedingsruis, andere externe ruis die in de klokoscillator terechtkomt, materiaalspanningen en vele andere subtiele factoren. Ongeacht de bron is het aan de ontwerper om al het mogelijke te doen om inherente klokjitter te minimaliseren, aangezien de gebreken niet omkeerbaar zijn.

Dit artikel bespreekt jitterproblemen vanuit verschillende perspectieven. Vervolgens worden verschillende klokoscillators van Abracon LLC geïntroduceerd en wordt getoond hoe jitter geminimaliseerd kan worden door de prestaties van de klokoscillator af te stemmen op de toepassing.

Jitter-basisprincipes

Klokjitter is de afwijking van een klokrand van zijn ideale positie in de tijd. Deze jitter beïnvloedt de timingprecisie en -nauwkeurigheid van de overdracht van datasignalen die door het kloksignaal worden gepacet, wat leidt tot een verslechtering van de signaal-ruisverhouding (SNR) bij de decoderings-/demodulatieschakelingen van de ontvanger of andere systeem-IC's. Dit resulteert in een hogere bit error rate (BER), meer heruitzendingen en een lagere effectieve gegevensdoorvoer.

Gezien het kritieke karakter wordt klokjitter op grote schaal geanalyseerd in systemen die een signaal van een zendbron naar een ontvanger sturen via kabels, connectoren of printplaten. Afhankelijk van de toepassing kan deze op vele manieren worden gekarakteriseerd, waaronder cycle-to-cycle, periode en jitter op lange termijn (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: De term "jitter" omvat vele variaties in timing, waaronder cycle-to-cycle jitter, period jitter en lange-termijn jitter. (Bron afbeelding: VLSI Universe)

• Cyclus-naar-cyclus jitter betekent de verandering in klokperiode tussen twee opeenvolgende cycli en is niet gerelateerd aan frequentievariatie in de tijd.
• Periodejitter is de afwijking van een klokperiode ten opzichte van de gemiddelde periode. Het is het verschil tussen de ideale en werkelijke klokperioden en kan gespecificeerd worden als RMS-periodejitter (root-mean-square) of piek-tot-piek-periodejitter.
• Jitter op lange termijn is de afwijking van de klokrand van zijn ideale positie over een langere tijdsperiode. Het is enigszins vergelijkbaar met drift.

Jitter kan de timing verstoren die wordt gebruikt door andere subfuncties, componenten of systemen die worden gebruikt om gegevensherstel met een lage BER te bereiken, of tempocomponenten zoals geheugenelementen of processors in een synchroon systeem. Dit is te zien in het oogdiagram van Afbeelding 2 als een verbreding van het oversteekpunt in de bit-timing.

Afbeelding 2: In een oogdiagram wordt jitter gezien als een verbreding van het kritieke timingovergangspunt in de gegevensstroom. (Bron afbeelding: Kevin K. Gifford/Univ. van Colorado)

Voor seriële datalinks moet de schakeling aan de ontvangende kant proberen om zijn eigen klok te herstellen voor optimale decodering van de datastroom. Om dit te doen moet de klok gesynchroniseerd en vergrendeld worden op de bronklok, vaak met behulp van een phase lock loop (PLL). Jitter beïnvloedt het vermogen van het systeem om dit precies te doen, waardoor het vermogen om de gegevens met een lage BER te herstellen in gevaar komt.

Merk op dat jitter zowel in het tijddomein als in het frequentiedomein gemeten kan worden; beide zijn even geldige perspectieven van hetzelfde fenomeen. Faseruis is een frequentiedomeinweergave van het geluidsspectrum rond het oscillatorsignaal, terwijl jitter een tijddomeinmeting is van de timingnauwkeurigheid van de oscillatorperiode.

Jittermetingen kunnen op verschillende manieren worden uitgedrukt. Het wordt vaak uitgedrukt in tijdseenheden zoals "jitter van 10 picoseconden" (ps). Root mean square (RMS) fasejitter is een tijddomeinparameter die wordt afgeleid uit de meting van faseruis (frequentiedomein). Jitter wordt soms ook fasejitter genoemd, wat verwarrend kan zijn, maar het is nog steeds de tijddomein jitterparameter.

Naarmate de werkfrequenties van koppelingen en hun klokken versnellen van enkele tientallen MHz naar honderden MHz en hoger, neemt de toegestane jitter op de klokbron af tot ongeveer 100 fs of minder. Deze frequenties zijn van toepassing op optische modules, cloudcomputing, netwerken en high-speed Ethernet, allemaal functies en toepassingen die een draaggolffrequentie tussen 100 en 212/215 MHz en datasnelheden tot 400 gigabit per seconde (Gbps) vereisen.

Het kristal beheren

De meest gebruikelijke manier om een stabiel, consistent kloksignaal met een nauwkeurige frequentie te maken is door een kwarts kristaloscillator te gebruiken. Een bijbehorend oscillatorcircuit ondersteunt het kristal. Er zijn veel van zulke circuitfamilies, elk met verschillende nadelen. Kristallen worden sinds de jaren 1930 in deze rol gebruikt voor draadloze radiocommunicatie in de middenfrequentie (300 kilohertz (kHz) tot 3 MHz) en hoogfrequente (3 tot 30 MHz) RF-banden.

Een veelgebruikte benadering voor het genereren van lage jitter klokken is het gebruik van een van de vele variaties op PLL-gebaseerde architecturen. Apparaten in de AX5- en AX7 ClearClock™-families van Abracon worden bijvoorbeeld geleverd in verpakkingen van respectievelijk 5 × 3,2 mm en 5 × 7 mm en maken gebruik van een geavanceerde PLL-technologie voor superieure prestaties met lage jitter (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: De Abracon AX5 en AX7-klokoscillators gebruiken een van de vele PLL-gebaseerde ontwerpen, maar met subtiele verbeteringen om jitter te minimaliseren. (Bron afbeelding: Abracon)

Naast de werkfrequentie en het oscillatorontwerp wordt de jitterprestatie beïnvloed door de fysieke grootte van het kwartskristal in de oscillatorkern. Naarmate de grootte van dit kristal kleiner wordt, wordt het een grotere uitdaging om superieure RMS jitterprestaties te leveren.

Voor klokoplossingen in de 100 tot 200 MHz band, en in kleinere vormfactoren dan de PLL-gebaseerde AX5- en AX7-apparaten, is een nieuwe oscillatorarchitectuur nodig. Deze vereisten voor kleinere afmetingen worden meestal geassocieerd met de nieuwste generatie optische transceivers en modules. Er zijn vier manieren om een klokoscillator in het bereik van 100 tot 200 MHz te ontwerpen:

1. Gebruik een kwartsoscillator met een omgekeerde mesa kwartsblank als resonatorelement
2. Gebruik een kwartsoscillator met een derde-overtoon kwartsblank als resonatorelement
3. Gebruik een oscillatorkring gebaseerd op een sub-50 MHz, derde-overtoon/fundamentele modus quartz blank, of een sub-50 MHz, temperatuurgecompenseerde kristaloscillator gekoppeld aan een integer of fractional-mode PLL IC.
4. Gebruik een resonatorkring op basis van micro-elektromechanische systemen (MEMS) met een frequentie van minder dan 50 MHz, gekoppeld aan een integer of fractioneel-modus PLL IC.

Optie 1 biedt niet de beste RMS jitterprestaties en is ook niet de meest kosteneffectieve oplossing. Optie 3 wordt ingewikkeld en heeft prestatiegebreken, terwijl de MEMS resonator benadering van optie 4 niet voldoet aan de primaire prestatiecriteria van 200 fs maximale RMS-jitter. Optie 2 daarentegen maakt gebruik van een optimaal ontworpen derde-overtoon kwartsmatrijs, waarbij rekening wordt gehouden met de geometrie van de elektroden en de optimalisatie van de snijhoek. Deze combinatie is optimaal wat betreft kosten, prestaties en grootte.

Met behulp van deze benadering ontwikkelde Abracon "derde boventoon" ClearClock-oplossingen (Afbeelding 4). Deze apparaten maken gebruik van een stillere architectuur om superieure, ultralage RMS-jitterprestaties en extreme energie-efficiëntie mogelijk te maken in miniatuurpakketten van slechts 2,5 × 2,0 x 1,0 mm.

Afbeelding 4: De "derde boventoon" ClearClock-oplossing van Abracon maakt gebruik van een stillere architectuur om de algemene prestaties en energie-efficiëntie te verbeteren. (Bron afbeelding: Abracon)

In dit schema zorgt een zorgvuldig ontwerp van het derde-overtoonkristal, samen met de juiste filtering en "insluiting" van het gewenste draaggolfsignaal, voor uitstekende RMS-jitterprestaties bij de gewenste draaggolffrequenties.

Deze architectuur maakt geen gebruik van een typische PLL-benadering, dus er is geen up-conversie. Bijgevolg is er geen standaard PLL fractionele of gehele vermenigvuldiging nodig en heeft de uiteindelijke uitgangsfrequentie een één-op-één correlatie met de resonantiefrequentie van het derde-overtoon kwartskristal. De afwezigheid van fractionele of gehele vermenigvuldiging vereenvoudigt het ontwerp en maakt minimale jitter in de kleinst mogelijke grootte mogelijk.

Specificaties en prestaties in werkelijkheid

Klokoscillators zijn meer dan alleen een kristal en het bijbehorende analoge circuit. Ze omvatten buffering om ervoor te zorgen dat de uitgangsbelasting van de oscillator en de korte- en langetermijnvariaties daarvan geen invloed hebben op de prestaties van de unit. Ze ondersteunen ook verschillende differentiële digitale logische uitgangsniveaus voor circuitcompatibiliteit. Deze compatibiliteit maakt een externe logicaniveau-omzetting IC overbodig. Zo'n IC zou de kosten, voetafdruk en jitter verhogen.

Omdat klokoscillators worden gebruikt in zoveel verschillende toepassingen met verschillende railspanningen, moeten ze worden aangeboden in een verscheidenheid aan voedingsspanningen, zoals +1,8 volt, +2,5 volt of +3,3 volt, evenals aangepaste waarden die meestal variëren van 2,25 tot 3,63 volt. Ze moeten ook beschikbaar zijn met verschillende opties voor uitvoerformaten, zoals laagspanningspositieve/pseudo-emittergekoppelde logica (LVPECL) en laagspanningsdifferentiële signalering (LVDS) en andere formaten.

Een blik op twee families kristalklokoscillators, de AK2A en de AK3A, laat zien wat kan worden bereikt door een verfijnd begrip en integratie van materialen, ontwerp, architectuur en testen. De twee families lijken op elkaar, met als opvallende verschillen de grootte en de maximale frequentie.

De AK2A-familie: Deze familie van kristaloscillators wordt aangeboden met nominale frequenties van 100 tot 200 MHz en is verkrijgbaar met bedrijfsspanningen van 2,5 volt, 3,3 volt en 2,25 tot 3,63 volt met LVPECL, LVDS en HCSL differentiële uitgangslogica.

Alle familieleden hebben vergelijkbare prestaties, waaronder lage RMS-jitter. De AK2ADDF1-100.000T is bijvoorbeeld een 100,00 MHz, 3,3 volt apparaat met LVDS uitgangen en een RMS jitter van 160,2 fs (Afbeelding 5). De frequentiestabiliteit is uitstekend met beter dan ±15 deeltjes per miljoen (ppm) over temperatuur, en het wordt geleverd in een zes-lood, surface mount device (SMD) pakket van 2,5 × 2,0 × 1,0 mm.

Afbeelding 5: Jitter is 160 fs voor de AK2ADDF1-100.000T, een 3,3 volt, 100 MHz apparaat met LVDS-uitgangen. (Bron afbeelding: Abracon)

Als de klokfrequenties echter toenemen, moet de jitter afnemen om de prestaties op systeemniveau te behouden. Voor de AK2ADDF1-156.2500T, een 156,25 MHz LVDS-oscillator, daalt de typische RMS-jitter naar 83 fs.

De AK3A familie: Apparaten uit de AK3A-familie zijn iets groter dan die uit de AK2A-familie met een voetafdruk van 3,2 × 2,5 × 1,0 mm (Afbeelding 6). Versies zijn beschikbaar en gespecificeerd tot 212,5 MHz, iets hoger dan de 200 MHz limiet voor de AK2A familie.

Afbeelding 6: De AK3A-kristaloscillators (rechts) zijn iets langer en breder dan de AK2A-serie (links); er zijn versies beschikbaar voor frequenties tot 212,5 MHz, vergeleken met 200 MHz voor de AK2A. (Bron afbeelding: Abracon)

De algemene specificaties van dit AK3A-apparaat zijn gelijk aan die van het overeenkomstige AK2A-familielid. Een voorbeeld is de AK3ADDF1-156.2500T3, een 156,25 MHz LVDS-oscillator met een typische RMS-jitter van 81 fs, iets beter dan het overeenkomstige lid van de AK2A-familie.

Jitter voor beide families varieert afhankelijk van de werkfrequentie, de werkspanning, de grootte van de behuizing en de keuze van de uitgangen.

Extra overwegingen uit de praktijk

Het is niet voldoende om een klokoscillator te hebben die alleen aan de specificaties voldoet op de dag dat hij de fabriek verlaat. Zoals alle componenten, vooral analoge en passieve componenten, zijn deze oscillatoren onderhevig aan verloop in de tijd door veroudering van de samenstellende materialen en interne spanningen.

Deze realiteit is vooral een uitdaging voor krachtige klokoscillatoren, omdat er geen handige of eenvoudige manieren zijn om deze drift te corrigeren of te compenseren door software of slimme schakelingen toe te voegen. Er zijn echter enkele manieren om de effecten van drift te beperken. Deze omvatten lange perioden van burn-in door de eindgebruiker voor versnelde veroudering van de oscillator, of het gebruik van een temperatuurgestabiliseerde oscillator in een behuizing met ovenregeling. De eerste is tijdrovend en een uitdaging voor de toeleveringsketen, terwijl de tweede groot, duur en energieverslindend is.

De ClearClock-familie van Abracon erkent dat veroudering een kritieke parameter is en biedt een strenge, allesomvattende frequentienauwkeurigheid over de gehele levensduur van het eindproduct van 10 tot 20 jaar. Abracon garandeert dat de frequentiestabiliteit beter is dan ±50 ppm over deze periode. Dit wordt bereikt door een zorgvuldige selectie en fabricage van het derde-overtoonkristal en door het te conditioneren voor een stabiliteit van ±15 ppm bij -20 °C tot +70 °C en ±25 ppm bij -40 °C tot +85 °C.

Zoals altijd gaat engineering over compromissen. De Abracon AK2A- en AK3A-serie bieden verbeterde jitterruisprestaties vergeleken met hun voorgangers (Gen I AK2 en AX3, respectievelijk) door gebruik te maken van een next-generation (Gen II) oscillator ASIC, waardoor ultralage RMS-jitterprestaties gegarandeerd worden.

Deze verbetering wordt bereikt ten koste van een lichte toename in het stroomverbruik. Het maximale stroomverbruik stijgt van 50 milliampère (mA) voor Gen I naar 60 mA voor Gen II, hoewel de laagspanningsapparaten ongeveer de helft van die waarde gebruiken. De tweede generatie ClearClock-oscillators biedt daarom ultralage RMS-jitter met behoud van een laag energieverbruik.

Conclusie

Timingoscillatoren vormen het hart van een datalink of klokfunctie en hun nauwkeurigheid, jitter en stabiliteit zijn kritieke parameters voor het bereiken van de vereiste prestaties op systeemniveau, waaronder een hoge SNR en een lage BER. Hogere klokfrequenties kunnen worden bereikt met innovatieve materiaalselecties en architecturen die voldoen aan de strenge prestatiespecificaties die worden vereist door de industrie en haar verschillende standaarden. De Abracon AK2A- en AK3A-serie hebben jitter onder 100 fs in het bereik van 100 tot 200 MHz in SMD-pakketten van slechts een paar millimeter aan elke kant.