Jitter i interferencje - dystrybucja sygnału zegarowego

Zwiększająca się szybkość pracy układów scalonych wymaga od projektanta poświęcenia większej uwagi aspektom związanym z kompatybilnością elektromagnetyczną. Projektanci układów i urządzeń cyfrowych nie są z reguły ekspertami w technice analogowej ani tym bardziej w technice wysokich częstotliwości. Z tego powodu najczęściej nie widzą potrzeby zajmowania się podstawowymi problemami elektroniki.

Istnieją dwa problemy praktyczne, które trzeba uwzględnić, projektując układ dystrybucji sygnału zegarowego dla szybkiego cyfrowego systemu synchronicznego. Pierwszym z nich jest zapewnienie integralności samego sygnału, a więc małego jitteru i małych zniekształceń na drodze do odbiorników. Drugim problemem jest wyeliminowanie interferencji sygnału zegarowego z innymi sygnałami w systemie oraz zapewnienie zgodności z obowiązującymi normami EMI.

Minimalizacja zniekształceń sygnału zegarowego

Rys. 1. Zniekształcenia sygnału prostokątnego w wyniku tłumienia wyższych harmonicznych i oscylacje.

Za szybki sygnał cyfrowy uważa się sygnał, którego czas narastania lub opadania jest odpowiednio krótki w stosunku do długości ścieżki. Sygnał jest szybki, jeśli ma na płytce drukowanej do przebycia drogę dłuższą niż jedna dwudziesta długości fali λ obliczonej ze wzoru:

λ=(c⋅π⋅t_fr)/√ε_r

gdzie c to prędkość światła, εr jest przenikalnością elektryczną względną laminatu (około 4 dla FR-4), a t_fr - krótszym z czasów narastania i opadania zboczy sygnału.

Praktycznie oznacza to, że nawet sygnał zegarowy o relatywnie małej częstotliwości, ale stromych zboczach, musi być uznany za sygnał szybki. Przykładowo, sygnał o czasie narastania 500ps jest sygnałem szybkim, jeśli długość ścieżki połączeniowej jest dłuższa niż 11,75mm.

Choć wydaje się to dużą długością, w wielu przypadkach może okazać się niemożliwe takie poprowadzenie ścieżek, aby tej granicznej długości ścieżki nie przekroczyć. Główne problemy związane z integralnością sygnału zegarowego można podzielić na oscylacje (ringing), przeniki sygnałów (crosstalk) oraz spadek napięcia na masie (ground bounce).

Odbicia sygnału i oscylacje

Straty w ścieżkach doprowadzających sygnał zegarowy do odbiorników oraz odbicia są podstawowymi problemami w układach dystrybucji sygnału zegarowego. Nawet jeśli częstotliwość sygnału jest mała, to w celu minimalizacji jitteru zbocza zegara muszą być odpowiednio strome. Aby zbocze sygnału było strome, w jego widmie powinno znajdować się wiele harmonicznych.

Straty w strukturach płytek drukowanych powodują, że ścieżki działają na sygnał jak filtr dolnoprzepustowy. Składowe harmoniczne sygnału po przejściu przez ścieżkę są niejednakowo tłumione - im większa częstotliwość oraz długość ścieżek, tym tłumienie większe.

Powoduje to zniekształcenia zboczy pokazane na rysunku 1. Nie są już tak strome, gdyż zmniejszyła się liczba harmonicznych w widmie. Sygnał dzięki temu może nie być już sygnałem szybkim, lecz niestety jest bardziej podatny na jitter. Właściwie niewiele da się zrobić, aby to zjawisko ograniczyć wtedy, kiedy płytka drukowana jest już wykonana.

Jedynie w przypadku generatorów przebiegu zegarowego pracujących w specjalnym trybie high load można to zjawisko ograniczyć kosztem zwiększonego poboru prądu. Dlatego, jeśli to możliwe, na etapie projektowania płytki należy zadbać o krótsze ścieżki połączeniowe lub wybrać mniej stratny, ale droższy laminat. Poważniejszym problemem są jednak odbicia sygnału.

Rozpatrzmy ogólny przypadek nadajnika i odbiornika sygnału wielkiej częstotliwości, połączonych ze sobą linią transmisyjną. W ogólnym przypadku impedancja wyjściowa nadajnika, impedancja charakterystyczna linii oraz impedancja wejściowa odbiornika są różne.

Zakładając najczęściej spotykany przypadek: małą impedancję wyjściową nadajnika (poniżej 50Ω), większą impedancję charakterystyczną linii (50...100Ω) oraz bardzo dużą impedancję wejściową odbiornika, otrzymamy pokazane na dolnej części rysunku 1 przebiegi czasowe.

Otrzymano je dla częstotliwości sygnału zegarowego 33,3 MHz (okres 30ns) oraz linii o długości elektrycznej 20cm. Idealny sygnał powinien charakteryzować się amplitudą 1V. Niestety, odbicia powodują, że duża część energii sygnału wraca z powrotem do źródła. Wynikiem tego są oscylacje oraz zwiększenie amplitudy.

Jego wartość maksymalna przekracza 1,4V, a minimalne wynosi -0,4V. Oprócz zniekształceń sygnału, odbicia mogą również doprowadzić do uszkodzenia nadajnika i odbiornika. Ważne jest więc zapobieganie odbiciom poprzez dopasowywanie impedancji pomiędzy elementami.

Niepożądane oscylacje sygnału będące wynikiem odbić określane są czasem terminem dzwonienia (ringings). Amplituda tych oscylacji zależy od współczynnika odbicia, a ich częstotliwość od długości linii. Częstotliwość oscylacji można wyznaczyć ze wzoru:

f_osc=c/(2⋅√ε_r⋅l_tr)

gdzie l_tr to długość ścieżki. Współczynniki odbicia w źródle i obciążeniu wyznacza się ze wzorów:

Γ_s=(Z_s-Z₀)/(Z_s-Z₀)

Γ_L=(Z_L-Z₀)/(Z_L-Z₀)

gdzie Z_s to impedancja źródła, Z_L impedancja obciążenia, a Z₀ impedancja charakterystyczna linii transmisyjnej.

W stanie dopasowania, tzn. gdy impedancje źródła, obciążenia i linii są takie same, współczynniki odbicia są równe zeru. W tych warunkach zjawisko odbicia nie występuje. W rzeczywistości jest to niemożliwe do uzyskania, niemniej jednak istnieje kilka dobrych metod na poprawienie współczynnika odbicia i redukcję oscylacji.

Rys. 2. Metody poprawiania współczynnika odbicia i redukcji oscylacji

Polegają one na zastosowaniu szeregowego rezystora w nadajniku (series termination), rezystora równoległego w odbiorniku (parallel termination), dwóch rezystorów połączonych między wejściem odbiornika i szynami zasilającymi (Thevenin termination) oraz szeregowego połączenia rezystora i kondensatora dołączonych do wejścia odbiornika (AC termination). Metody te zilustrowano na rysunku 2.