Empfohlene Vorsichtsmaßnahmen beim Vergleich der Datenblattwerte der additiven Jitter-Performance von Taktpuffern

1st December 2015
Posted By : Barney Scott
Empfohlene Vorsichtsmaßnahmen beim Vergleich der Datenblattwerte der additiven Jitter-Performance von Taktpuffern

Einleitung

Ein Fanout-Puffer wird in Timing-Anwendungen eingesetzt, in denen mehrere Kopien eines Taktsignals verteilt werden müssen. Um den bestgeeigneten Fanout-Puffer für eine Timing-Applikation zu wählen ist es hilfreich, beim Vergleich der Angaben im Produktdatenblatt die additiven Phasenjitter-Spezifikationen zu verstehen.

von Fran Boudreau, Senior Applications Engineer, Timing Products, Silicon Labs

Die Abhängigkeit des Phasenjitters von Eingangs-Anstiegsrate (Slew Rate), Eingangs-Phasenrauschen und Eingangsfrequenz

Ein Taktverteilungs-IC generiert ein Taktsignal nicht völlig unabhängig; eigentlich kann das Phasenrauschen nicht gemessen werden, wenn nicht ein Eingang angelegt ist. Die meist verwendete Bezeichnung zur quantitativen Bestimmung der Qualität eines Taktverteilungs-ICs ist additiver Phasenjitter oder additives Phasenrauschen über ein spezifiziertes Frequenzband. Weniger häufig ist eine Standardmethodik zur Messung des additiven Phasenjitters anzutreffen. Diese Methode setzt voraus, dass der Entwicklungsingenieur tief in die Details des Datenblatts des Taktpuffers eintaucht. Zum Beispiel können Unterschiede in der Eingangs-Anstiegsrate (Slew Rate), der Eingangsfrequenz sowie des Phasenrauschens der Eingangsquelle zu großen Unterschieden in der angegebenen Taktpuffer-Performance führen.

Berechnung des Phasenjitters

Das Phasenrauschen ist eine Messung der Frequenzdomäne, in welcher der Phasenjitter über einer definierten Offset-Bandbreite berechnet werden kann. Für den Einsatz dieser Methode gibt es zahlreiche Gründe; sie ist wiederholbar und einfach nachzumessen, und sie ermöglicht es einem Ingenieur, die interessierenden spezifischen Offset-Frequenzbänder zu analysieren. Zeitbereichsmessungen vermeiden die Möglichkeit, nachträglich über ein spezifisches Band zu messen – jedes interessierende Band benötigt eine zusätzliche Messung –, und dabei können sie inhärent einschränkende Ergebnisse bieten. Zur Erfassung der Performance bei niedrigeren Frequenzen ist eine längere Prüfzeit erforderlich; ein niedrigerer Bandbreitenbereich wirkt als Tiefpassfilter, was bedeutet, dass man einen hohen Bandbreitenbereich mit hoher Empfindlichkeit braucht. Mit anderen Worten: Der Oszilloskop-Jitter ergibt einen Gesamtwert, während das Phasenrauschen ein besseres Bild der Faktoren vermittelt, die ihre Beiträge dazu leisten.

Zur charakterisierung des Beitrags des Puffers zum Phasenjitter muss der Entwickler zunächst die Quelle (Source) messen und anschließend die Quelle plus Puffer. Danach wird der Phasenjitter mithilfe der Formel 3 berechnet. Oft geht man bei der Berechnung des Phasenjitters von der Annahme aus, dass die Quelle und das Phasenrauschen nicht zueinander in Beziehung stehen, sondern sich aus rein zufälligem Jitter zusammensetzen.

Formel 1: JTotal2 = JSource2+Jbuffer2

 

Formel 2: Jbuffer2 = JTotal2 - JSource2

 

Formel 3: Jbuffer= √(JTotal2 - JSource2)

 

Additiver Phasenjitter vs Eingangs-Anstiegsrate (Slew Rate)

Die additive Jitter-Performance hängt von der Eingangs-Slew-Rate ab. Geringere Anstiegsraten am Eingang führen oft zu einem höheren additiven Jitter. Ein Entwickler muss sicherstellen, dass eine gleiche Flankensteilheit wie die im Datenblatt angegebene verwendet wird, um in der Anwendung die erwarteten Ergebnisse zu erhalten. Zum Beispiel wird der tatsächliche additive Phasenjitter die angegebene Datenblatt-Performance unterschreiten, wenn es sich beim Eingang um eine abgeschnittene Sinuswelle (Clipped Sine Wave) oder eine Sinuswelle für manche temperaturgesteuerten Quarzoszillatoren (TCXOs) oder ofengesteuerten Quarzoszillatoren (OCXOs) handelt. In diesem Fall besteht die einzige Option darin, die Taktpuffer-Performance zu messen, weil der Datenblattwert irrelevant ist.

Darüber hinaus wird es hilfreich sein, bei der Messung des additiven Jitters die beim Vergleich der Jitter zwischen den Datenblättern verschiedener Taktpufferhersteller verwendeten Slew-Rates zu vergleichen. Abbildung 1 zeigt, wie sich der additive Jitter bei unterschiedlichen Slew-Rates verändert. Noch wichtiger: Der Abbildung ist außerdem zu entnehmen, dass ein Puffer möglicherweise nicht über alle Slew-Rates hinweg überlegen ist.

 

Abbildung 1. Additiver Phasenjitter vs Eingangs-Slew Rate von zwei verschiedenen Taktpuffern

Additiver Phasenjitter vs Eingangs-Phasenrauschen

Um genaue Messergebnisse zu gewährleisten, muss das Phasenrauschen der Quelle beträchtlich geringer sein als das des Prüflings (DUT). Häufig wird ein OCXO als Quelle gewählt, doch wird dies bei höheren Frequenzen schwieriger oder zumindest kostspieliger und kann bei geringer werdenden Offsets nach wie vor Einschränkungen aufweisen. Abbildung 2 enthält die Performance von sowohl der verwendeten Quelle mit geringem Phasenrauschen als auch der Quelle, die einen Taktpuffer Si53302 von Silicon Labs ansteuert. Die Anwendung der Gleichung 3 ergibt als Resultat 112 fs additiven Jitter für den Takt des Si53302 bei 156,250 MHz am Eingang über ein Band von 12 kHz – 20 MHz.

 

Abbildung 2. Gültige Messung des additiven Phasenjitters

Kommt indessen eine Quelle mit einem ähnlichen oder geringfügig geringeren Phasenrauschteppich als der des Puffers zum Einsatz, dann wird ein übermäßig optimistischer Wert des additiven Phasenrauschens gemeldet. In Abbildung 3 ist die Phasenrauschleistung eines Si53302-Takts dargestellt, der von einer 156,250-MHz-Quelle mit ähnlicher Performance angesteuert wird. Die Messergebnisse -- 34 fs  additiver Jitter – könnten irreführend sein.

Abbildung 3. Ungültige Messung des additiven Phasenjitters

Ein Entwickler muss beim Vergleich additiver Jitterwerte, die auf Datenblattangaben beruhen, Vorsicht walten lassen. Ähneln die erhaltenen Grafikdarstellungen denen in Abbildung 2, kann die Messung als genau eingestuft werden. Dadurch wird der Vergleich etwas einfacher. Wenn jedoch die Kurve des additiven Phasenrauschens ähnlich der in Abbildung 3 ist, dann ist es am besten, dass man sich nicht auf die Werte des additiven Phasenjitters verlässt. Die Phasenrauschgrafiken können beispielsweise verglichen werden, wenn zwei untersuchte Puffer ein ähnliches Phasenrauschniveau haben; in diesem Fall sollte die additive Jitter-Performance ebenfalls gleich sein. Weist hingegen ein Puffer einen besser angezeigten additiven Phasenjitter auf, dann könnte der Vorteil an der Art der Messung des Jitters liegen.

Abbildung 4 bietet ein interessantes Beispiel eines additiven Jitters. Die Quelle hat 334 fs Phasenjitter, und die Quelle plus dem Takt des Si53302 zeigt einen verbesserten Wert von 284 fs Jitter im Gegensatz zu einem errechneten Wert von 353 fs. In diesem Beispiel reduziert der Puffer das Amplitudenmodulations-(AM-)Rauschen der Quelle, wodurch sich eine Verbesserung der Phasenrauschleistung ergibt.

 

Abbildung 4. Verbessertes Phasenrauschen, wobei der Taktpuffer das AM-Rauschen reduziert

Additiver Phasenjitter vs Eingangsfrequenz

Formel 4 zeigt das Verhältnis zwischen Jitter, Rauschen L(f) und Frequenz. Wird die Frequenz, f0, reduziert, erhöht sich der Phasenjitter (es entsteht eine konstante Rauschleistung). Der Phasenjitter wird für jede Verdoppelung der Frequenz um einen Faktor zwei verbessert, wenn die Phasenrauschleistung konstant bleibt. Aus diesem Grund geben die meisten Datenblätter die Performance bei hohen Frequenzen an. Entwickler müssen darauf achten, die additive Jitter-Performance bei der Betriebsfrequenz festzulegen. Außerdem kann sich die Phasenrausch-Performance, L(f), eines Puffers geringfügig gegenüber der Betriebsfrequenz verändern. Abbildung 5 zeigt die additive Jitter-Performance eines Taktpuffers versus der Eingangsfrequenz bei Einsatz einer Quelle mit geringem Rauschen.

Formel 4: Tj rms = 10L(f)/20 / √2πfo

Tj = rms-Jitter, L(f) = Rauschleistung, fo = Frequenz

Abbildung 5. Additiver Jitter versus Frequenz beim Taktpuffer Si53302

Schlussbetrachtung und Empfehlungen

Entwickler müssen bei der Evaluierung der Performance eines Taktverteilungs-ICs unter Zuhilfenahme der Datenblattspezifikationen sowie beim Design eines Puffers in einer Schaltung folgendes beachten: Die Unterschiede zwischen Eingangs-Slew Rate, Eingangsfrequenz und Eingangs-Phasenrauschen der Quelle können zu großen Unterschieden in der Performance führen.

  • Höhere Slew Rates haben einen geringeren additiven Phasenjitter zur Folge.
  • Höhere Frequenzen führen zu geringerem additivem Phasenjitter.
  • Höheres Eingangs-Phasenrauschen kann auf einen geringeren additiven Phasenjitter hinauslaufen.

Es könnte aufschlussreich sein, die angegebene Phasenrausch-Performance zusätzlich zum additiven Phasenjitter zwischen verschiedenen in Frage kommenden Puffern zu vergleichen. Zum Beispiel: Hat der Baustein mit besserem additivem Phasenjitter auch eine bessere Phasenrauschleistung? Falls nicht, könnte die Messmethode sub-optimal sein. Theoretische Berechnungen könnten nicht auf alle Fälle zutreffen. Eine Baustein-Evaluierung unter Verwendung der beabsichtigten Quelle könnte erforderlich sein, um die Performance in der realen Welt sowie die optimale Lösung zu bestimmen.

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