Timing Bausteine IC kombiniert Taktsynthese, Jitterqualität und Taktverteilung

Bei den ICs der Familie LMK04800 sind Taktsynthese, Jitter-Eliminierung und Taktverteilung in einem Chip integriert. Es stehen bis zu 14 Taktausgänge zur Verfügung, deren Jitter im fs-Bereich liegt.

Anbieter zum Thema

Heitec AG

Cadlog Group

RECOM Power GmbH

So gut wie jede Operation in einem elektronischen System erfolgt synchron zu einem Taktsignal. Mikroprozessoren verarbeiten ihre Befehle Schritt für Schritt nach dem Systemtakt, wobei die neusten Prozessorgenerationen auf Milliarden von Operationen pro Sekunde kommen. Ein Beispiel dafür sind GPS-Geräte, die sich zu den empfangenen und entsprechend aufbereiteten Satellitensignalen synchronisieren. Ohne diese Synchronisation wäre es nicht möglich, die Position beispielsweise eines Fahrzeugs anhand der Satellitensignale zu bestimmen, und es käme kein fehlerfreier Betrieb der Navigationssysteme zustande.

Timing-Bausteine finden sich praktisch überall und machen viele Aktivitäten, an die wir uns im täglichen Leben gewöhnt haben, erst möglich. Ob wir telefonieren, eine Email abschicken, den Sportkanal im Fernsehen anschauen oder Geld am Automaten abheben – stets sind wir darauf angewiesen, dass sämtliche Abläufe von präzisen Takt-Bauelementen gesteuert und synchronisiert werden.

Dass komplexe elektronische Systeme hohe Anforderungen an die Taktung stellen, dürfte nicht überraschen. Wie nachfolgend noch deutlich wird, erfordern leistungsfähige Bauelemente Lösungen für die Takterzeugung mit einem Jitter von weniger als 1 ps. Ein typisches System, das auf einer Leiterplatte Datenwandler, FPGAs und HF-Bauelemente enthält, benötigt gleich mehrere verschiedene Taktfrequenzen, die darüber hinaus in den meisten Fällen miteinander zu synchronisieren sind.

Highspeed-ADC-Taktsignal-Synchronisation

Die Eigenschaften, die der Systemtakt in Bezug auf den Jitter, das Phasenrauschen und Störfrequenzen aufweisen muss, werden von den Bauelementen diktiert. Dies sind im allgemeinen HF-Bausteine wie etwa Mischer und Demodulatoren sowie A/D-Wandler. Die Entwicklung einer komplexen Taktung stellt somit eine immense Herausforderung für die Systemdesigner dar, was bereits viele Unternehmen veranlasst hat, spezielle Teams allein für diese Aufgabe abzustellen.

A/D-Wandler mit hoher Abtastrate benötigen zur Einhaltung optimaler Rauscheigenschaften Taktsignale mit einem RMS-Jitter von weniger als 1 ps. Das Synchronisieren von Taktsignalen ist besonders bei zunehmenden Signalfrequenzen sehr anspruchsvoll. Die Verteilung der Synchronisationssignale wird außerdem dadurch erschwert, dass Bauelemente nicht selten auf verschiedenen Seiten einer Leiterplatte oder sogar auf verschiedenen Boards platziert werden. Hinzu kommt, dass komplexe Leiterplatten unter Umständen mehrere verschiedene Taktfrequenzen und Logik-Signalpegel erfordern (z.B. LVPECL, LVCMOS, LVDS usw.).

Beispiel: Anforderungen an den Taktjitter

Anhand des ADC12D800RF, eines 12-Bit-A/D-Wandlers mit einer Abtastrate von 800 MSample/s bzw. 1,6 GSample/s und einer analogen Eingangsbandbreite von 2,7 GHz, soll nun untersucht werden, welche Taktjitter-Anforderungen eingehalten werden müssen, damit die Angaben im Datenblatt erreicht werden.

Der A/D-Wander gehört zu einer neuen, für Abtastraten von 500 MSample/s bis 3,6 GSample/s spezifizierten Bausteinfamilie, die für das Direct RF Sampling, also die Abtastung des Hochfrequenzsignals ohne zwischengeschaltete ZF-Stufe, vorgesehen ist. Bild 1 zeigt eine typische Anwendung für diese Technik. Der A/D-Wandler kommt hier auf ein Signal-Rausch-Verhältnis (SNR, Signal to Noise Ratio) von 56,4 dB, gemessen im gesamten Nyquist-Band bei der Quantisierung eines Signals mit einer Frequenz von 1498 MHz.

Da die gewünschte Signalbandbreite häufig deutlich kleiner ist als die Nyquist-Bandbreite, kann die digitale Filterung eingesetzt werden, um das sehr geringe Eigenrauschen dieses ADC von –152,2 dBm/Hz auszunutzen. Der IMD3-Wert (Two-tone third order intermodulation distortion, Zweiton-Intermodulationsverzerrungen, gibt das Verhältnis der Leistung zwischen 3. Oberwelle und Grundwelle an) beträgt –87 dBFS bei f_IN = 2670 MHz ± 2,5 MHz (bei –16 dBFS).

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