Taktujeme čistě. S 1,2 V pomohou buffery od Microchipu

Tisíc dvě stě milivoltů – hodně, nebo spíše málo? Napěťová hladina, kterou u nabíjecích článků považujeme za něco zcela běžného, však může jindy docela potrápit. Vezměte si třeba číslicovou logiku a zvláště pak rozvody hodinového signálu s distribucí taktu pro současná hradlová pole FPGA, systémy SoC, akcelerátory AI nebo např. procesory nové generace.

Změna pod přísnou kontrolou

Díky rychlému nástupu pokročilých technologií typu FinFET vzrostla i poptávka po nízkonapěťových budičích, navržených právě pro potřeby rozvodu hodinového signálu. Jenže dostupnost standardních 1,2V bufferů s technologií LVCMOS, resp. převodníků úrovní se schopností konvertovat hodinové signály o vyšším napětí na nižší napěťové úrovně, bude v praxi omezena. Nabízí se pochopitelně klasická řešení s diskrétními prvky a napěťovými děliči, která se však neobejdou bez rizika. Zvláště, když nám ovlivňují přesnost střídy, naruší integritu signálu a možná i zkomplikují celý návrh.

Co takhle vyzkoušet integrované obvody rodiny SY757xx pro distribuci taktu s důrazem na mimořádně nízký aditivní jitter, které tento měsíc představila firma Microchip Technology [1]? Vývojáři s nimi získají ucelenou nabídku 1,2V hodinových bufferů LVCMOS, které umí výše nastíněné problémy s odlišnými úrovněmi vstupů a také výstupů efektivně řešit. Slibují potřebnou stabilitu a zaručují vysoké rozlišení bez potřeby vymýšlet vlastní zapojení s diskrétními součástkami a často i nejistými výsledky. Hodit se také může širší rozsah napájecího napětí, podobně jako provozní kmitočtové pásmo. Výsledek nezabere spoustu místa a zvládne teploty v rozmezí -40 °C až +105 °C.

Pokud vám tedy není lhostejný fázový šum, jitter spojovaný s periodou či po sobě jdoucími cykly nebo např. chyba TIE (Time Interval Error), pokračujte dále ve čtení. Ať již máte na starosti zpracování videa, vestavné vidění, akceleraci AI/ML, průmyslové řízení a internet věcí, síťové technologie společně s komunikací, embedded systémy, otázku zpracování signálu apod.

Až osm výstupů

V době psaní tohoto článku počítá firma Microchip celkem s jedenácti obvody a přesahem až do 3,3 V, kdy i takto napájené součástky spolehlivě provážeme s poli FPGA či SoC, vyžadujícími spíše 1,2V takt. Novinky zde budou hodinový signál v rámci jediného čipu společně chránit před zkreslením v pásmu od nuly až do 250 MHz, přičemž aditivní jitter (RMS) výrobce vymezuje nejnižšími desítkami femtosekund, např. s 16,9 fs za předpokladu 100MHz taktování a pásma 12 kHz až 20 MHz.

První trojice podpůrných obvodů se již vyrábí, zatímco u zbývajících osmi prvků výrobce slibuje alespoň vzorky. Ve výsledku tak ošetříme různá zapojení a na výběr ještě dostaneme ze tří druhů pouzder. Osmivývodové provedení typu VDFN (Very-thin Dual Flat No-lead) zabírá na desce pouze 1,4 × 1,6 mm, varianta TDFN (Thin Dual Flat No-lead) o stejném počtu pinů pak 2 × 2 mm. A nechybí zde ani verze typu VQFN s dvojnásobkem vývodů o velikosti 3 × 3 mm. Jen pro ilustraci, ceny se při odběru deseti tisíc kusů pohybují v závislosti na konfiguraci konkrétní součástky mezi 0,5 a 0,83 dolaru.

Jako první zde máme obvody SY75707 v nejmenších pouzdrech typu VDFN, které zajistí hladký přechod mezi rozdílovým vstupem a dvěma výstupy (buffery) LVCMOS. Výstupní stranu napájíme v rozmezí 1,2 až 1,8 V, zatímco vstup dále snese až 3,3 V. Výstupy LVCMOS rovněž obdržely vlastní sériový odpor 50 Ω. Standardní přenosová vedení s touto charakteristickou impedancí lze proto budit bez jakýchkoli externích součástek.

Pokračujme dále k prvkům SY75712, resp. SY75714. Jedná se nyní o buffery hodinového signálu s technologií LVCMOS a dvěma nebo rovnou čtyřmi výstupy (SY75714), kdy větší pouzdra typu TDFN opět počítají s klíčovým rozsahem 1,2 až 1,8 V. K ovládání vždy slouží společný řídicí vstup OE (Output Enable). Výrobce zmiňuje vývodovou kompatibilitu se součástkami LMK1C1102 nebo LMK1C1104 od firmy Texas Instruments, pouze s tím rozdílem, že v TI kalkulují s napájením 1,8 až 3,3 V, zatímco Microchip na spodní hranici teprve „začíná“. Pro oddělovače s více výstupy se v takovém případě rovněž použije označení Fanout Buffer.

Z pohledu novinek, dostupných do určité míry formou vzorků, přichází konečně v úvahu drobné obvody SY75701/03/04/05, SY75702 nebo též SY75706/08/09 typu bufferu či translatoru, které svorně počítají s napájecím napětím V_DDO 1,2 až 1,8 V, zatímco na vstupu obdržíme v nejlepším případě plný záběr od 1,2 V až do 3,3 V. Problém tak nemusí představovat jeden či dva vstupy LVCMOS, rozdílový vstup HCSL / LVPECL / LVDS, ale ani jeden, dva, čtyři nebo snad i osm výstupů LVCMOS, což také ospravedlňuje rostoucí počet vývodů, které však nejsou podmínkou. Poznámka k padesáti ohmům v sérii platí i nadále, stejně jako všechny předpoklady k preciznímu nakládání s taktem či datovými signály [2].

Odkazy:

[1] Tisková zpráva, https://www.microchip.com/en-us/about/news-releases/products/microchip-clock-buffers-link-latest-socs-and-fpgas-with-higher-voltage-components

[2] Obvody rodiny SY757xx, https://www.microchip.com/en-us/products/clock-and-timing/components/clock-data-distribution/buffers/low-voltage-buffers

robenek@dps-az.cz