Jitter i interferencje - dystrybucja sygnału zegarowego

Interferencje elektromagnetyczne

Rys. 7. Podłączanie kondensatorów blokujących

Dopasowanie impedancji, sprzężenia, czy spadek napięcia na połączeniu masy i związane z tym zniekształcenia przebiegu zegarowego, to tylko jedna strona medalu. Tak samo istotne są interferencje z innymi sygnałami i urządzeniami. Sygnał zegarowy jest okresowy, więc jego widmo zawiera silne prążki częstotliwości podstawowej oraz jej harmonicznych.

To właśnie sprawia, że sygnały zegarowe jak żadne inne są głównym źródłem interferencji elektromagnetycznych. Wyróżniamy dwa rodzaje powstawania interferencji. Pierwszy występuje przy częstotliwościach zegarowych poniżej 30MHz. Ten rodzaj charakteryzuje się tym, że u jego źródła leżą sprzężenia pojemnościowe i indukcyjne pomiędzy sygnałami oraz liniami zasilania i masy.

W przypadku częstotliwości większych od 30MHz mamy do czynienia z interferencjami, u źródła których leży promieniowanie elektromagnetyczne. W zależności od tego, z jakim rodzajem interferencji mamy do czynienia, różne będą metody ich ograniczania. Wśród stosowanych metod możemy wyróżnić pasywne: ekranowanie, blokowanie kondensatorami, dobry projekt płytki drukowanej oraz metodę aktywną polegającą na zmianie charakterystyki sygnału zegarowego - jego rozproszeniu lub spowolnieniu narastania zboczy.

Tematykę redukcji interferencji poruszano również w numerze 1/2010 „Elektronika”. Ekranowanie polega na takim opakowaniu systemu elektronicznego materiałem przewodzącym, aby utrudnić wydostawanie się sygnałów na zewnątrz i dostawanie się obcych do wewnątrz. Niestety ta metoda nie działa na szum wielkiej częstotliwości, który jako sygnał wspólny nie jest przez ekranowanie ograniczany.

W praktyce dobrze zaprojektowana płytka drukowana oraz odpowiednio usytuowane kondensatory blokujące pozwalają na bardziej efektywną redukcję interferencji. Z punktu widzenia projektu płytki drukowanej ważne jest zapewnienie ciągłości połączenia (najlepiej jeszcze krótkiego) masy dla składowej zmiennej.

Dobrym rozwiązaniem jest zastosowanie wielowarstwowej płytki drukowanej i przeznaczenie jednej z warstw na masę. Można również prowadzić sygnały zegarowe pomiędzy dwoma ścieżkami masy. Niestety oprócz dodatkowej pasożytniczej pojemności podraża się koszt urządzenia. Oprócz tych metod stosuje się również aktywne metody ograniczania interferencji poprzez zmianę charakterystyki sygnału zegarowego.

Są to metody tańsze. Jedna z nich polega na zmniejszeniu czasu narastania zboczy sygnału zegarowego poprzez zastosowanie szeregowej rezystancji. Wiele z dostępnych na rynku układów do generacji sygnału zegarowego ma możliwość regulacji czasu narastania zboczy, realizowaną najczęściej poprzez ograniczenie maksymalnego stopnia prądu wyjściowego. Bardziej popularna metoda polega na rozpraszaniu widma sygnału zegarowego.

Rozpraszanie widma

Rys. 8. Sposoby dystrybucji sygnału zegarowego

Rozpraszanie widma sygnału zegarowego (spread-spectrum clocking) polega na modulacji częstotliwości przebiegu zegarowego. Dzięki temu duża energia sygnału nie jest skupiona wokół jednej częstotliwości, lecz rozproszona na szersze pasmo o tej samej energii, ale o dużo mniejszej wartości szczytowej.

W efekcie rozpraszanie widma daje dobre rezultaty w urządzeniach wrażliwych na wąskopasmowe zakłócenia, ale niestety pogorszy sytuację dla urządzeń wrażliwych na sygnały szerokopasmowe. Rozpraszanie widma jest modulacją częstotliwości, dlatego charakteryzuje się kilkoma parametrami:

• indeks modulacji d - szerokość rozproszonego pasma częstotliwości odniesiona do częstotliwości podstawowej w procentach (zwykle kilka procent),
• częstotliwość modulacji fm - szybkość, z jaką następuje zmiana częstotliwości od minimalnej do maksymalnej. Zwykle jest to ponad 30kHz. Na tyle dużo, aby nie zakłócać pasma audio i na tyle mało, aby system jeszcze działał,
• kształt funkcji modulującej - określa, w jaki sposób częstotliwość sygnału zegarowego jest modulowana pomiędzy maksymalną a minimalną częstotliwością. Najczęściej stosuje się przebieg trójkątny, ze względu na łatwość jego realizacji. Niestety, kosztem są nierównomierności widma sygnału,
• rodzaj rozpraszania - w dół lub wokół określa, gdzie względem częstotliwości podstawowej znajduje się rozproszone pasmo. Przy rozpraszaniu w dół maksymalna częstotliwość rozproszonego sygnału zegarowego równa jest częstotliwości podstawowej. Przy rozpraszaniu wokół częstotliwość podstawowa leży dokładnie w środku rozproszonego pasma.

Podsumowanie

Dystrybucja szybkich sygnałów zegarowych nie jest zadaniem łatwym i wymaga zrozumienia różnych metod i ich wzajemnych ograniczeń. Dopasowanie impedancji oraz dobry projekt płytki drukowanej mają tu podstawowe znaczenie. Jednak zniekształcenia sygnału zegarowego to tylko jedna strona medalu.

Druga to tak samo istotne i dodatkowo nieodłączne interferencje z innymi sygnałami i urządzeniami. Sygnał zegarowy jest okresowy, więc jego widmo zawiera silne prążki częstotliwości podstawowej oraz jej harmonicznych. To właśnie sprawia, że sygnały zegarowe, jak żadne inne, są głównym źródłem interferencji elektromagnetycznych.

Dariusz Pieńkowski