Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2011 №8

Несимметричные сигналы синхронизации

Бек Джордж (Becke Georg)  
Джанг Торстен (Jung Torsten)  

Перевод: Леденёва Екатерина


При разработке несимметричного дерева синхронизации разработчик системы может выбрать одну из двух обычно используемых форм сигнала: прямоугольную или синусоидальную. В этом руководстве по применению дан краткий обзор обоих типов сигналов. Здесь показаны достоинства и недостатки каждого из них на примере CDC3 S04 — счетверенного буфера синусоидального тактового сигнала со встроенным линейным стабилизатором с низким падением напряжения. Кроме того, ограниченный синусоидальный сигнал служит демонстрацией возможной альтернативы двум упомянутым выше сигналам. Эта статья не предлагает полного математического объяснения описанных явлений, а, скорее, позволяет быстро и просто понять сущность проблемы выбора типа сигналов синхронизации, исходя из того, как это влияет на общую эффективность системы.

Формы сигнала и спектральные характеристики

В статье обсуждаются главные различия между синусоидальной и прямоугольной формами сигналов. Здесь также дается обзор достоинств и недостатков соответствующих сигналов с точки зрения разработки печатной платы. Поэтому важно ясно понимать характеристики каждой формы сигнала. На рис. 1 приведено сравнение этих двух типов.

Форма (а) и спектральная характеристика (б) сигналов

Рис. 1. Форма (а) и спектральная характеристика (б) синусоидального и прямоугольного сигналов

Кроме очевидного различия в очертании формы сигналов, синусоидальный сигнал имеет спектральную характеристику, совершенно отличную от прямоугольного сигнала.

В то время как синусоидальный сигнал имеет только основную компоненту на частоте 1/T, у прямоугольного сигнала есть гармоники более высокого порядка на частотах 3/T, 5/T, 7/T и т. д. В идеальном случае этот ряд продолжается бесконечно. Однако в реальности гармоники становятся настолько малы, что превращаются в шум. Таким образом, для большинства практических применений достаточно учитывать седьмую или девятую гармоники.

Сигналы с точки зрения излучения электромагнитных помех

Спектральные компоненты любого сигнала очень влияют на качество системы с точки зрения электромагнитных помех (EMI). EMI обычно определяется через электромагнитное излучение (EMR) системы. Поэтому этот тип EMI часто называют излучаемыми помехами.

Чтобы учесть влияние типа сигнала на излучаемые помехи, необходимо понять, как сигнал излучается из линии.

Если посмотреть на зависимость излучения простой линии передачи от частоты, становится ясно, что на некоторых частотах линия ведет себя как антенна. Излучение появляется на частотах, где длина волны сигнала равна длине линии (или кратна длине линии). Таким образом, точки максимального излучения EMI видны на частотах, равных λ, λ/2, λ/4, λ/8 и т. д. (где λ = c/f; c = 299792458 м/с (скорость света)). Важно отметить, что излучаемая энергия при больших значениях знаменателя будет ниже.

Благодаря этой характеристике легко увидеть, что даже при сравнительно небольшой длине линии и низкой частоте сигнала может происходить излучение EMI, поскольку кривая мощности излучения линии передачи может подниматься сколько угодно раз в точках λ/n на гармониках высокого порядка.

Ввиду того что в большинстве случаев длина линии так или иначе определяется другими обстоятельствами, разработчик платы должен учитывать этот фактор. Единственным эффективным способом снизить риск излучения EMI из линии было бы использование сигнала с меньшим количеством гармоник. Следовательно, мы видим, что использование синусоидального сигнала снижает риск EMI, которое возникает в линиях передачи для сигналов синхронизации.

Шумы и помехи в несимметричных сигналах синхронизации

Вследствие сложной природы современных систем на целостность сигнала может влиять большое количество внешних факторов. Это обстоятельство также справедливо для линий, пересекающихся с линиями сигналов синхронизации. Так как дифференциальный сигнал не используется, то на сигнал непосредственно накладывается помеха, наведенная на линию передачи. Чтобы понять, что означает этот эффект для разработки дерева синхронизации, необходимо иметь в виду, что на входах синхронизации у большинства приборов стоят инверторы. В таком случае вход переключается, только если входное напряжение достигает порогового значения. Если на линии появляется шум, входной каскад может отреагировать раньше или позже, чем это произошло бы при отсутствии шума. Этот тип реакции фактически наблюдается в системе как джиттер. На рис. 2 показаны различные воздействия, которые оказывает шум как на синусоидальные, так и на прямоугольные сигналы. (К обоим сигналам добавлен шум одинаковой амплитуды.)

Влияние шума на появление джиттера

Рис. 2. Влияние шума на появление джиттера для: а) синусоидального сигнала; б) прямоугольного сигнала

На рис. 2 ясно видно, что шум при синусоидальном сигнале может иметь большее влияние на точность синхронизации (как результат медленно нарастающих и спадающих фронтов этого типа сигнала), чем в случае с прямоугольным сигналом, если используется вход инвертирующего типа. С системной точки зрения это искажение во времени наблюдается как джиттер.

Линейные входные каскады, например такие как в CDC3S04, не переводят шум в джиттер, а ослабляют эти воздействия вследствие фильтрующего поведения прибора.

Здесь также необходимо отметить, что источником нежелательного искажения сигнала не обязательно должен быть шум; оно также может быть вызвано помехами изнутри или извне той же системы. Эти источники помех не обязательно должны быть постоянными (как шум, который обсуждался ранее), а могут иметь более случайный характер и возникать только временно в течение периода сигнала и повторяться после каждого n-го периода. Эти помехи имеют гораздо большее влияние на джиттер системы, чем в системах, которые используют формы сигналов с более медленными подъемами и спадами фронтов сигналов.

Тип сигнала синхронизации и его влияние на шумы источника питания и «земли»

Хотя точное влияние на шумы источника питания и заземления сильно зависит от реализации драйверов в конкретном устройстве, существует несколько общих моментов, которые необходимо отметить.

Для драйвера сигнала синхронизации ток, потребляемый в конкретный момент времени, существенно зависит от емкостной нагрузки, подключенной к драйверу. Чтобы уровень напряжения изменился, эта емкость должна заряжаться или разряжаться. Как известно, ток, требуемый для этого заряда (или разряда), может быть вычислен по формуле:

Согласно этому уравнению при одинаковой емкостной нагрузке сигнал с меньшим временем нарастания и спада извлекает из источника гораздо больший ток, чем сигнал с большим временем подъема и спада. Применяя этот вывод к сигналам, которые мы обсуждаем, можно легко увидеть, что для синусоидального сигнала требуется меньший ток, чем для прямоугольного.

Этот принцип непосредственно влияет на разработку печатной платы, так как для устройства с синусоидальным сигналом не требуется так много энергии, как для переключающегося сигнала. К тому же, ввиду того, что кривая синусоидального сигнала плавная (по сравнению с устройством с прямоугольным сигналом), он также порождает меньше помех на уровнях питания и «земли» (рис. 3).

Выходной сигнал  и напряжение источника питания

Рис. 3. Выходной сигнал (вверху) и напряжение источника питания (внизу): а) на буфере, формирующем синусоидальный сигнал, без стабилизации питания; б) на буфере, переключаемом прямоугольным сигналом и работающем на нагрузку 50 Ом, без стабилизации питания

Таким образом, для системы, работающей с синусоидальным сигналом, количество внешних компонентов, используемых для развязки питания и уменьшения шума как на «земле», так и на источнике питания, может быть сокращено. Это обстоятельство может служить преимуществом в приложениях, требующих оптимальной организации пространства печатной платы, таких как смартфоны.

Шумы источника питания и заземления в зависимости от электромагнитных помех

На рис. 3 видно, что помеха по питанию, возникающая при переключении выхода устройства, имеет гораздо более высокую частоту, чем сам переключающийся сигнал. Этот эффект позволяет излучению EMI проходить сквозь сплошные участки слоев питания и заземления, которые обычно конструируются настолько большими, насколько это возможно, и следовательно, предоставляет большую возможность излучать высокочастотные сигналы. Устройство с плавно переключающимися выходными сигналами генерирует намного меньше искажений на шинах питания и заземления и, таким образом, имеет гораздо меньше возможности излучать помехи этого типа.

Выводы

Как было отмечено, при выборе формы сигнала синхронизации существует много моментов, требующих обсуждения. И прямоугольные, и синусоидальные сигналы обладают несколькими достоинствами и недостатками.

Выбор формы сигнала синхронизации сильно зависит от специфических требований данного применения. На самом деле чистый синусоидальный сигнал используется редко. Двумя наиболее часто используемыми типами сигналов являются прямоугольный сигнал и ограниченный синусоидальный сигнал.

В большинстве стационарных устройств применяется прямоугольный сигнал. Более длинные линии передачи в таких устройствах более восприимчивы к шуму. Кроме того, проблема рассеиваемой мощности здесь не так велика, как в портативных применениях.

Использование ограниченного синусоидального сигнала — хороший компромисс между требованиями к EMI и скоростью нарастания/спада. В портативных системах этот тип сигнала очень популярен, поскольку линии небольшой длины в этих применениях менее восприимчивы к шуму. С другой стороны, возможность сокращения числа внешних компонентов, требуемых для фильтрации питания, так же как и уменьшенная EMI этих сигналов, является положительным фактором.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке