في أنظمة جمع البيانات عالية السرعة التي تسعى إلى الدقة القصوى ، يعد اهتزاز الساعة "قاتلًا غير مرئي" يحد من أداء النظام. عندما يرتفع معدل أخذ العينات إلى مئات MSPS أو حتى أعلى ، فإن اهتزاز الساعة على مستوى البيكو ثانية سيؤدي إلى تدهور نسبة الإشارة إلى الضوضاء بشكل كبير ، مما يؤدي إلى انخفاض في العدد الفعال للبتات. استنادًا إلى البيانات المقاسة ، تحلل هذه الورقة بعمق كيفية تقليل اهتزاز الساعة الإجمالي لنظام الاستحواذ عالي السرعة بنسبة 40 ٪ عن طريق اختيار مذبذب LVDS بتردد 212.5 ميجاهرتز والجمع بين استراتيجيات التحسين على مستوى النظام ، مما يوفر حلاً واضحًا وعمليًا لتصميم الرادار وأدوات الاختبار المتطورة ومعدات الاتصال.
ارتعاش الساعة هو في الأساس انحراف زمني قصير المدى وغير تراكمي لحافة إشارة الساعة بالنسبة لموقعها المثالي. أثناء عملية أخذ العينات للمحولات التناظرية إلى الرقمية عالية السرعة (ADCs) ، يتم تحويل عدم اليقين هذه المرة مباشرة إلى خطأ في جهد أخذ العينات ، وبالتالي تلويث إشارة الخرج الرقمية.
عادة ما يتم قياس ارتعاش الساعة في كل من نطاقات الوقت والتردد. في المجال الزمني ، فإن المعلمات الأكثر أهمية هي اهتزاز الفترة وضوضاء الطور. يقيس ارتعاش الفترة التغير الزمني بين دورات الساعة المتتالية ، في حين يتم تقييم الارتعاش المتكامل لضوضاء الطور من خلال دمج قوة ضوضاء الطور على نطاق إزاحة تردد معين ، مما يوفر صورة أكثر اكتمالاً للتأثير على الأداء الديناميكي لـ ADC. بالنسبة للساعات عالية السرعة مثل 212.5 ميجاهرتز ، من العملي التركيز على قيم الارتعاش ضمن النطاق الترددي المتكامل 1 كيلو هرتز إلى 100 ميجاهرتز.
أخذ العينات الوقت الخطأ الناجم عن غضب يمكن أن تعدل إشارة الدخل ، وتوليد المزيد من النطاق العريض الضوضاء . تأثير يمكن قياسها من خلال صيغة : الأبjitter= -20log10وفيرجيتر) ، حيث finتردد إشارة الإدخال ، tjitterرمس غضب . على سبيل المثال ، 500 ميغاهيرتز عالية التردد إشارة المدخلات ، إذا كان غضب على مدار الساعة هو 100 خ م رمس ، نظرية نسبة الإشارة إلى الضوضاء الحد سوف تتدهور إلى حوالي 70 ديسيبل ، تآكل قيمة النطاق الديناميكي عالية السرعة شركة تطوير العقبة مباشرة .
إن المصدر هو المفتاح ل تحقيق ساعة منخفضة الاهتزاز. و يشكل اختيار جهاز ذبذ مُحسَّن خصيصاً ل لتطبيقات عالية السرعة خطوة أولى نحو النجاح.
212.5MHz ليس ترددًا تم اختياره بشكل تعسفي. في العديد من أبنية SerDes عالية السرعة (serializers / de-serializers) و ADC على مدار الساعة ، يعد هذا التردد ترددًا مرجعيًا أساسيًا أو مقسمًا مشتركًا. والأهم من ذلك ، أنه يتجنب بذكاء نطاقات الضوضاء الرئيسية وتوافقاتها الناتجة عن العديد من إمدادات الطاقة التبديلية والدوائر الرقمية ، مما يقلل من خطر التداخل والضوضاء المقترنة عند المصدر ، مما يضع الأساس لتوليد ساعات نقية.
بالمقارنة مع التقليدية LVCMOS ، LVDS الناتج لديها ميزة كبيرة . الفرق في الخصائص يمكن أن تمنع بشكل فعال في الوضع العام الضوضاء ، وتوفير ممتازة لمكافحة التداخل الكهرومغناطيسي القدرة . وفي الوقت نفسه ، LVDS سوينغ السعة منخفضة ، محرك الأقراص الحالي وضع ثابت ، مما أدى إلى تحويل الضوضاء أقل بكثير من قيمة كبيرة واحدة إشارة نهاية ، مما يقلل من غضب بالإضافة إلى مسار الساعة من خلال إمدادات الطاقة و الأرض الطائرة . هذا يسمح 212.5mhz مذبذب مع LVDS الناتج لنقل منخفضة جدا غضب الكامنة إلى أسفل الجهاز .
ساعة ممتازة المصدر هو نقطة الانطلاق ، ونظام الطاقة إشارة سلامة التصميم هو مفتاح تحويل التردد المنخفض المحتملة في قياس الأداء .
مصدر الضوضاء هي واحدة من العوامل الرئيسية التي تسبب غضب إضافية على مدار الساعة . مذبذب يجب أن تكون مجهزة مع انخفاض الضوضاء انخفاض التسرب المنظم الخطي ( LDO ) معزولة عن التبديل إمدادات الطاقة من الدوائر الرقمية . في تخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور ، نجمة طوبولوجيا أو إمدادات الطاقة الخاصة الطائرة يجب أن تستخدم لتوفير الطاقة ، و 10 ميكرو و التنتالوم مكثف في أقرب مكان دبوس إمدادات الطاقة بالتوازي مع عدد وافر من 100 و 1 NF MLCC المكثفات NF تصفية واسعة النطاق إمدادات الطاقة الضوضاء .
مسار انتقال إشارة الساعة من مذبذب إلى شركة تطوير العقبة على مدار الساعة المدخلات يجب أن تكون مصممة بعناية . مقاومة تسيطر عليها فرق التوجيه ينبغي أن تستخدم ، مع أقصر طول و مسار متماثل . تجنب عبور منطقة الإشارات الرقمية أو تقسيم السلطة الفجوة . في الجانب المتلقي ، فمن المستحسن استخدام انخفاض غضب العازلة أو موزع مصممة خصيصا على مدار الساعة إلى محرك الأقراص متعددة الأحمال بدلا من مروحة مباشرة من مذبذب لضمان جودة الإشارة في كل شركة تطوير العقبة على مدار الساعة .
يجب اختبار النظرية بالممارسة. من خلال إنشاء منصة اختبار مقارنة ، يمكن قياس تأثير تدابير التحسين بشكل واضح.
تعتمد منصة الاختبار على بطاقة جمع بيانات عالية السرعة مع 1 GSPS ADC في جوهرها. تستخدم مجموعة المقارنة A مذبذب LVCMOS للأغراض العامة 212.5 ميجاهرتز وتصميم قياسي لإمدادات الطاقة ؛ تستخدم مجموعة التجربة B مذبذب LVDS منخفض الارتعاش 212.5 ميجاهرتز وتنفذ التحسينات المذكورة أعلاه على مستوى النظام. باستخدام راسم الذبذبات عالي الأداء في الوقت الفعلي ، يتم قياس الارتعاش الدوري لإشارة الساعة بواسطة الرسم البياني الإحصائي ويتم قياس الارتعاش المتكامل بواسطة محلل ضوضاء الطور.
| مؤشرات الأداء | قبل التحسين ( المجموعة أ ) | بعد التحسين ( المجموعة ب ) | تحسين السعة |
|---|---|---|---|
| RMS غضب (1K-100MHz) | 180 fs | 108 fs | 40% أقل |
| مرحلة الضوضاء @ 100kHz تعويض | -135 dBc/Hz | -142 dBc/Hz | تحسين |
| نظام قياس الأب ( مدخلات 500MHz ) | 68.5 dBFS | 70.9 ديسيبل | رفع 2.4 ديسيبل |
تظهر البيانات أنه من خلال اختيار المصدر والتصميم المشترك للنظام ، يتم قمع اهتزاز الساعة بشكل كبير وتحويله مباشرة إلى تحسين في نسبة إشارة النظام إلى الضوضاء.
تحويل النظرية إلى تصميم ناجح ، يتطلب الانتباه إلى النقاط العملية التالية.
المذبذب يجب أن توضع في أقرب وقت ممكن إلى شركة تطوير العقبة على مدار الساعة المدخلات دبوس . LVDS فرق الزوج يجب أن تكون صارمة على قدم المساواة في الطول والمسافة ، مقاومة التحكم في 100 Ω . إشارة الطائرة تحت خط الساعة يجب أن تكون كاملة و غير مجزأة . معدن قشرة قذيفة من المذبذب هو الأرض بشكل جيد من خلال تعدد من خلال الثقوب ، وبالتالي فإن التدخل الخارجي يمكن أن تكون محمية بشكل فعال . فصل مكثف المخططات والتصاميم الموصى بها في الجهاز دليل البيانات يجب أن تتبع .