Taktverteilung Additiven Jitter verstehen, messen und minimieren

Schnelle Kommunikationstechnik setzt eine optimale Taktverteilung voraus. Der Takt muss an viele Logikeingänge und Stellen auf einem PC-Board verteilt werden. Wichtige Einflussgrößen sind dabei das Phasenrauschen und der Jitter. Der Artikel beschreibt, wie das Phasenrauschen eines Taktpuffers gemessen wird, was dessen Leistung beeinflussen kann und welche Details beachtet werden müssen, wenn verschiedene Taktoptionen aus den Datenblättern der Hersteller verglichen werden.

Ein Taktverteiler erzeugt selbst keinen Takt, sondern reproduziert den Takt des Generators mehrmals und verteilt ihn über seine Ausgänge an die jeweiligen Empfänger. Das Phasenrauschen lässt sich allerdings erst messen, wenn das Taktsignal an einem Eingang anliegt. Der am meisten verbreitete Begriff, um die Qualität eines Taktverteilers zu beurteilen, ist „zusätzliches (additives) Phasenrauschen“.

Was hingegen weniger verbreitet ist, ist eine Standardmethode zur Messung des additiven Phasen-Jitter. Als praktisches Beispiel dafür wird daher der Taktpuffer Si53311 von Silicon Labs zur Charakterisierung des additiven Phasen-Jitters und anderer Faktoren verwendet, die Einfluss auf die Leistung eines Puffers haben. Die gleichen Testmethoden lassen sich zur Analyse des Verhaltens der meisten Puffer, Teiler und anderer Taktverteiler anwenden. Additiver Jitter hängt dabei von folgenden Faktoren ab:

  • Anstiegs- und Abfallzeiten am Eingang, abhängig von der Amplitude oder Anstiegsgeschwindigkeit
  • Ausgabeformat
  • Ausgangsfrequenz
  • Versorgungsspannung

Die Anstiegs- und Abfallzeiten am Eingang haben erheblichen Einfluss auf den additiven Phasen-Jitter. Was erst einmal einfach klingt, wird spätestens dann kompliziert, wenn sowohl die Anstiegs- und Abfallzeit als auch die Amplitude oder, noch besser, die Am­plitude über der Anstiegs- und Abfallzeit berücksichtigt werden muss, was in V/ns (Anstiegsgeschwindigkeit bzw. Slew Rate) ausgedrückt wird.

Die meisten Entwickler verbinden den Begriff Anstiegsgeschwindigkeit mit Analog-ICs wie z.B. Operationsverstärkern. Eher selten findet man einen solchen Wert in Datenblättern digitaler Bauelemente. Auch wenn es ungewöhnlich ist, diesen Wert zu verwenden, dient es doch dem besseren Verständnis, um zu beschreiben, welche Faktoren den additiven Phasen-Jitter verbessern oder verschlechtern. Eine geschätzte Anstiegsgeschwindigkeit lässt sich aus den Datenblatt-Spezifikationen berechnen, wenn kein genauer Wert aufgeführt ist. Als Beispiel dient ein differenzielles LVDS-Signal mit einer Amplitude von 350 mV und einer Anstiegs- und Abfallzeit von 400 ps: Bei einer Messung bei 20 % und 80 % der Amplitude beträgt die differenzielle Anstiegsgeschwindigkeit (2∙350 mV∙0,6) / (400 ps) oder 1,05 V/ns. (Für unsere Zwecke wird die differenzielle Anstiegsgeschwindigkeit verwendet.)

ParameterSymbolTest-UmgebungMin. Typ.Max.Einheit
Anstiegs-/Abfallzeit am AusgangTR/TFVPECL, LVDS, CML, HCSL, 20/80 %  350ps
Anstiegs-/Abfallzeit am AusgangTR/TF200 MHz, 50 Ω, 20/80 %, 2 pF
Ladung (LVCMOS)
  750ps
Minimale Pulsweite am EingangTW 500  ps
Additiver Jitter (differenzieller Eingangstakt)JUDD=2,5/3,3 V
LVPECL/LVDS,
F= 725 MHz, 0,6 V/ns Eingangs-Anstiegs-
geschwindigkeit
-6080fs
Tabelle 1. AC-Charakteristika: UDD= 1,8 V ±5 % oder 3,3 V ±10 %, TA= –40 bis 85 °C

Das Phasenrauschen lässt sich nicht messen, solange das Signal nicht an einem Eingang anliegt und der Gesamt-Jitter gemessen werden kann. Der Beitrag des Taktpuffers wird als additiver Phasen-Jitter bezeichnet. Im Beispiel in Tabelle 1 sind die Anstiegsrate, Ausgangsfrequenz, das Logikformat und die Versorgungsspannung mit aufgeführt, die alle Einfluss auf den additiven Jitter haben. Daher müssen bei einem korrekten Vergleich dieses Jitters die gleichen Bedingungen vorliegen. Wenn die Bedingungen von den dort genannten abweichen, sind die Rückschlüsse für einen Vergleich fehlerhaft.

Phasenrauschen

Das Phasenrauschen ist ein wichtiger Parameter bei der Analyse eines Timer-IC. Die Messung im Frequenzbereich ermöglicht die Berechnung von Jitter, Zeitäquivalent oder Phasen-Jitter, wenn eine definierte Offset-Bandbreite vorhanden ist. Für diese Methode gibt es viele Gründe: Sie ist schnell und wiederholbar, erfordert nur wenige optimierende Einstellungen und erlaubt es, bestimmte Frequenzbänder zu analysieren. Falsche Signale lassen sich erkennen und somit verringern. Im Gegensatz dazu bieten die meisten Messungen im Zeitbereich nicht genügend Auflösung für eine femtosekundengenaue Messung, wie sie für die heutigen hochleistungsfähigen Timer-ICs erforderlich ist.

Das Phasenrauschen eines Taktpuffers kann so lange nicht gemessen werden, bis ein Eingangssignal angelegt und der Gesamt-Jitter gemessen wird. Der Beitrag des Taktpuffers wird additiver Phasen-Jitter genannt. Um diesen Beitrag zu charakterisieren, wird zuerst der Jitter der Taktquelle gemessen und anschließend der Jitter der Taktquelle zusammen mit dem Taktpuffer. Schließlich wird der Phasen-Jitter mittels Gleichung 3 berechnet. Manche Entwickler nehmen an, dass das Quellen- und das Pufferrauschen nicht zusammenhängen, sondern sich aus zufälligem Jitter zusammensetzen. Wenn der additive Jitter eines Taktpuffers und der Jitter der Taktquelle (meist als Effektivwert angegeben) bekannt sind, gehen deren Werte ins Quadrat in Gleichung 1 ein, woraus sich mit der Wurzel der Quadratsumme der Gesamt-Jitter berechnen lässt.

left parenthesis 1 right parenthesis space J squared subscript T o t a l end subscript equals J squared subscript Q u e l l e end subscript plus J squared subscript P u f f e r end subscript
left parenthesis 2 right parenthesis space J squared subscript P u f f e r end subscript equals J squared subscript T o t a l end subscript minus J squared subscript Q u e l l e end subscript
left parenthesis 3 right parenthesis space J subscript P u f f e r end subscript equals square root of J squared subscript T o t a l end subscript minus J squared subscript Q u e l l e end subscript end root

Zu beachten ist, dass der Referenztakt ein um 3 bis 10 dB niedrigeres Phasenrauschen aufweisen muss als der Taktpuffer, um ihn genau charakterisieren zu können. Im Gegensatz dazu ist eine geringere Spanne erforderlich, wenn Bausteine mit niedrigerem Phasenrauschen gemessen werden sollen. Oft kommt ein OCXO-Quarz-Oszillator (Oven-Controlled Crystal Oscillator) als Taktquelle zum Einsatz. Bei höheren Frequenzen ist dies jedoch problematisch oder zumindest teuer. Viele Taktquellen mit geringem Phasenrauschen weisen symmetrische Ausgänge auf, die in ein differenzielles Signal umgewandelt werden müssen. Dabei sorgt ein Balun für eine kosteneffiziente Lösung mit minimalem Rauschbeitrag.

Quelle + PufferPhasen-Jitter (Quelle)berechneter additiver Jitter
109 fs49 fs97 fs
117 fs112 fs34 fs
284 fs334 fsmuss falsch sein

Tabelle 2 vergleicht den additiven Phasen-Jitter ein und desselben Puffers bei drei verschiedenen Quellen mit unterschiedlichem Phasenrauschen. Im ersten Beispiel weist die Quelle ein um 3 bis 10 dB besseres Phasenrauschen auf als der Taktpuffer. Mit Gleichung 3 ergeben sich 97 fs additiver Jitter für den Puffer, was ein genaues Ergebnis darstellt. Allerdings ergibt sich ein zu optimistischer Wert, wenn eine Quelle ein Phasenrauschen aufweist, das ähnlich dem des Puffers ist.

Das zweite Beispiel zeigt das Phasenrauschen des gleichen Puffers, wobei die Quelle ein ähnliches Jitter-Verhalten aufweist. Hier ergeben sich 34 fs additiver Jitter, was sehr optimistisch ist.

Ein extremes Beispiel, wie additiver Jitter von der Testmessung abhängt, ist im letzten Beispiel gegeben, in dem die Quelle 334 fs Phasen-Jitter aufweist. Die Quelle plus Puffer ergibt einen „verbesserten“ Wert von 284 fs, was definitiv falsch sein muss und somit keine geeignete Methode ist, additiven Jitter zu quantifizieren. Beim Vergleich von Bausteinen muss additiver Jitter also mit Sorgfalt eingesetzt werden. Eine weitere Möglichkeit ist, das angegebene Phasenrauschen des Puffers zu überprüfen.