Quarze & Oszillatoren
Vom Jitter gereinigt
Oszillatoren haben immer einen gewissen Jitter, was sich negativ auf verschiedene Teile eines elektronischen Geräts auswirken kann, beispielsweise auf eine Funkverbindung. Mithilfe spezieller integrierter Schaltungen lässt sich selbst ein relativ »schmutziger« Takt reinigen.
Taktsynchronisierer eignen sich dazu, Referenztaktsignale mit extrem niedrigem Rauschen zu erzeugen, die unabhängig vom Eingangsjitter sind. Im Folgenden wollen wir zwei Methoden für den LMK05318 von Texas Instruments näher beleuchten. Dieses IC ist dafür ausgelegt, die hohen Anforderungen von Telekommunikations- und Industrieanwendungen zu erfüllen.
Das Bauteil verfügt über eine einkanalige digitale Phasenregelschleife (Digital Phase-Locked Loop, DPLL), die sich mit einem von zwei differenziellen oder unsymmetrischen Referenztakteingängen synchronisieren lässt. Die Schleifenbandbreite der DPLL lässt sich im Bereich von 1 mHz bis 4 kHz programmieren. Verwendet man zusätzlich einen TCXO (Temperature Compensated Quartz Oscillator) oder OCXO (Oven Controlled Quartz Oscillator) bei einer Schleifenbandbreite von weniger als 10 Hz, unterstützt das IC einen Wanderfrequenzen-Filter für verrauschte Referenzeingangssignale. Kommt ein handelsüblicher Quarzoszillator zum Einsatz und stellt die Schleifenbandbreite des ICs aus 10 Hz bis 100 Hz, kann es den Jitter aus einem verrauschten Referenzeingang herausfiltern.
Außerdem umfasst das Bauteil insgesamt zwei voneinander unabhängige analoge PLL-Domänen (APLLs). Der von Texas Instruments entwickelte BAW-Resonator (Bulk Acoustic Wave) als spannungsgesteuerten Oszillator (Voltage Controlled Oscillator, VCO) in der APLL1 erzeugt Taktsignale, deren RMS-Jitter nur 50 fs (50 × 10−15 s) beträgt – unabhängig vom Jitter und der Frequenz sowohl des Referenztaktes als auch des Taktes eines Quarzoszillators (Crystal Oscillator, XO). Zudem unterstützt die APLL1 auch niedrige Schleifenbandbreiten bis herunter zu 100 Hz und kann hochfrequente Störungen in einem Systemtakt, beispielsweise an den XO-Eingangspins, unterdrücken. Dieser Anwendungsfall kann genutzt werden, während die Frontend-DPLL abgeschaltet wird.
Eine zusätzliche APLL-Domäne APLL2 mit konventionellem spannungsgesteuertem LC-Oszillator (Voltage Controlled Oscillator, VCO) kann unabhängige Frequenzen erzeugen, deren RMS-Jitter 120 fs beträgt. Diese sind entweder im DPLL-Modus an den Referenztakteingang oder an einen freilaufenden Quarzoszillator-Eingang gebunden.
Insgesamt kann der LMK05318 bis zu acht Taktsignale mit bis zu sechs verschiedenen Taktfrequenzen ausgeben. Der Phasenübergang (Hitless Switching) erfolgt mit einer Genauigkeit von ±50 ps mit Phasenunterdrückung. Das IC ist mit einem PSRR-Wert (Power Supply Rejection Ratio) von mindestens –80 dBc bei einem einer Welligkeit der Versorgungsspannung von 50 mV spezifiziert. Dadurch ist es möglich, den LMK05318 mit einem DC/DC-Wandler zu versorgen und dennoch einen extrem niedrigen Jitter zu erhalten.
Das On-Chip-EEPROM mit den Konfigurationsdaten lässt sich bis zu hundertmal überschreiben, nach dem Hochfahren des Systems der Baustein muss also nicht erst programmiert werden. Verschiedene Optionen zur Bausteinüberwachung, die über I²C/SPI oder durch Abfrage von Status-Pins ausgelesen werden können, sind vorhanden.
Neben dem Einsatz als Taktsynchronisierer für Telekom-Anwendungen lässt sich der Baustein auch als Jitter-Reiniger in Anwendungen einsetzen, bei denen aus einem »verschmutzten« Systemtakt einzelne oder mehrere Frequenzen mit geringem Jitter zu erzeugen sind. Dadurch, dass die Schleifenbandbreite entweder der DPLL oder der APLL mit dem BAW-VCO auf niedrige Werte einstellen lassen, kann der LMK05318 den Jitter des Referenztaktes bereinigen und gleichzeitig das gesamte Platinenlayout zu vereinfachen, da die Schaltungsentwickler auf kostengünstige Standardkomponenten zurückgreifen können.
Bulk-Acoustic-Wave-Resonator
Der BAW-Resonator ist ein Dünnfilm-Resonator und ähnelt einem herkömmlichen Quarzkristall. Wie in Bild 1 dargestellt, ist ein piezoelektrischer Film zwischen zwei Metallschichten und mehreren anderen Schichten eingebettet, um die mechanische Energie zu begrenzen. Diese Struktur nimmt diese Energie auf und bildet ein recht verlustarmes und hochwertiges Resonanzelement.
In der Vergangenheit kamen BAW-Resonatoren für HF-Filter am Frontend von Funktransceivern in mobilen Geräten zum Einsatz. Der LMK05318 verwendet einen solchen Resonator als rauscharmen spannungsgesteuerten BAW-Oszillator (VCBO) in einem Standard-QFN-Gehäuse, um extrem rauscharme Taktsignale zu erzeugen.
Tabelle 1 umreißt die wesentlichen Unterschiede zwischen BAW-, SAW- und LC-Tank-Resonator. Bild 2 zeigt das Phasenrauschen des VCBOs und zweier konkurrierender LC-VCOs bei einer Trägerfrequenz von 625 MHz. Zu sehen ist, dass das Phasenrauschen des VCBOs bei 10 kHz Offset um 25 dB besser ist als bei einem marktführenden LC-VCO.
Der LMK05318 kann in zwei Konfigurationen als Jitter-Reiniger fungieren. Bei der ersten dient die DPLL mit einer Schleifenbandbreite von weniger als 10 Hz dazu, Wanderfrequenzen auf dem Referenzeingangstakt zu reinigen, wenn dabei eine der APLLs mit einem TCXO oder OCXO als Referenz verwendet wird. Liegt die Schleifenbandbreite über 10 Hz, kann das IC den Jitter des Referenzeingangstaktes mit einem Quarzoszillator (XO) als Referenz für die APLLs beseitigen.
| Resonator- Technologie | Stärken | Schwächen |
|---|---|---|
| Bulk Acoustic Wave (BAW) | • Hohe Güte (ca. 1000 bei 2,5 GHz) unterstützt extrem geringen Jitter. • Hohe Resonanzfrequenz (2 - 3 GHz) unterstützt das Herunterteilen, um mehrere Taktfrequenzen zu erreichen (z. B. aus einem 2,5-GHz-Takt Frequenzen von 156,25 MHz, 125 MHz und 100 MHz). • Hervorragender RMS- Jitter ohne externe Einflüsse und einfach zu gestalten mit RMS-Jitter von <60 fs bei 156,25 MHz und <30 fs bei 1,25 GHz (jeweils zwischen 12 kHz und 20 MHz • System-in-Package-Aufbau bietet Standard-QFN-Gehäuse, die kostengünstig und einfach zu entwerfen sind. | • Enger Tuningbereich • Zusätzliche PLL mit LC VCO kann den Effekt mildern. |
| Surface Acoustic Wave (SAW) | • Exotisches Substrat nicht einfach zu integrieren • Niedrigere Frequenz (<1 GHz) | |
| LC-Tank (Parallelschwingkreis) | • Monolithische Integration • Niedrige Kosten | • Niedrige Güte (ca. 20 bei 1 GHz) führt zu schlechterem Jitter und Phasenrauschen; stark abhängig von der Güte der externen Quellen |
Tabelle 1: Vergleich verschiedener Resonator-Technologien.
Der Vorteil dieser Konfiguration besteht darin, dass sich übermäßig starke Wanderfrequenzen oder niederfrequentes Rauschen auf dem Referenzeingangstakt eliminieren lassen. Bestehen zudem explizite Anforderungen an das Phasenrauschen für niedrige Offset-Frequenzen, bietet diese Art der Jitter-Reinigung mit DPLL ein möglichst geringes Phasenrauschen innerhalb des Durchlassbandes. In diesem Modus kann die APLL2 auch dazu verwendet werden, freilaufende Taktsignale mit geringem Jitter zu erzeugen, oder sie lässt an den geteilten Takt der APLL1 koppeln, um je nach Anwendungsbedarf einen zweiten Frequenzbereich mit niedrigem Jitter zu erzeugen.
Bild 3 zeigt, wie sich das Phasenrauschen für einen 156,25-MHz-Ausgang des LMK05318 darstellt, der an einen schmutzigen Referenzeingangstakt von 25 MHz mit einer DPLL-Schleifenbandbreite von 10 Hz und einer TCXO-Frequenz von 19,2 MHz gekoppelt ist.
Die zweite Konfiguration, in der der LMK05318 als Jitter-Reiniger fungieren kann, nutzt bei abgeschalteter DPLL die APLL1 mit einer Schleifenbandbreite im Bereich von 100 Hz bis 1 kHz zur Beseitigung von hochfrequentem Rauschen auf dem Referenzeingangstakt. Bei diesem Modus empfiehlt es sich, die APLL2 an den geteilten Takt der APLL1 zu koppeln, um je nach Anwendungsfall einen zweiten Frequenzbereich mit geringem Jitter zu erzeugen.
Der Vorteil dieser Konfiguration besteht darin, dass der LMK05318 hochfrequentes Rauschen ohne externen Quarzoszillator reinigen kann, wenn keine expliziten Anforderungen an das Phasenrauschen für die Offset-Frequenzen in der Umgebung bestehen. Zudem ist diese Konfiguration recht kostengünstig, nimmt die kleinste Gesamtfläche auf der Platine ein und ist gleichzeitig zuverlässiger, da im Vergleich zu anderen konkurrierenden Jitter-Reinigern keine quarzbasierte Komponenten nötig sind.
Bild 4 zeigt, wie sich das Phasenrauschen für einen 156,25-MHz-Ausgang des LMK05318 darstellt, der auf einen schmutzigen Referenzeingangstakt von 25 MHz mit einer Schleifenbandbreite der APLL1 von 100 Hz (rote Linie) und von 1 kHz (grüne Linie) eingestellt ist.
Zusammenfassung
Besonders leistungsfähige Taktsynchronisierer wie der LMK05318 von Texas Instruments können konkurrierende Lösungen übertreffen. Jene weisen verschiedene Nachteile auf, beispielsweise längere Entwicklungszeiten und höhere Gesamtsystemkosten. Die Fähigkeit des LMK05318 zur Jitter-Reinigung in beiden unterstützten Modi vereinfacht die Systementwicklung, einschließlich Design, Prototyping und Einhaltung von Standards. Darüber hinaus bietet das Unternehmen das webbasierte Werkzeug WEBENCH Clock Architect an. Dieses soll Hardware-Entwicklern helfen, die für sie passenden Einstellungen für den Baustein auszuwählen.
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